Ohutlevyrakenteen topologian optimointi Solidworksillä
Herranen, Roni (2022)
Herranen, Roni
2022
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2022-12-19
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212199341
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202212199341
Tiivistelmä
Topologian optimointi on laskennallinen menetelmä, jolla optimoidaan materiaalin sijoittelua määriteltyjen tavoitteiden ja rajoitteiden perusteella rajatussa tilavuudessa. Yleinen tapa on hyödyntää laskennassa elementtimenetelmää, jossa tilavuus jaetaan suureen määrään yksinkertaisia, äärellisiä elementtejä. Tällöin topologian optimoinnissa määritetään, mitkä elementit jäävät osaksi rakennetta. Tämä työ rajautuu rakenteelliseen topologian optimointiin staattisten kuormitusten perusteella.
Työssä tutkitaan ohutlevykappaleiden topologian optimointia Solidworksin simulaatiotyökaluilla. Topologisesti optimoitujen ohutlevykappaleiden parametrinen mallintaminen ja valmistettavuuden huomiointi on yksinkertaista verrattuna kolmiulotteisiin kappaleisiin. Topologian optimoinnissa muodostuvat mielivaltaisen muotoiset reiät voidaan leikata ohutlevykappaleeseen tietokoneohjatusti esimerkiksi laserleikkauksella. Näin ollen työn tavoitteena on selvittää, milloin ohutlevykappaleen topologian optimointi on lujuusteknisestä näkökulmasta kannattavaa.
Työ jakaantuu kolmeen osaan, jotka ovat teoriaosuus, kokeellinen tutkimus ja tapaustutkimus. Teoriaosuudessa selvitetään Solidworksin Topology Study -toiminnon taustalla vaikuttavaa topologian optimoinnin matemaattista toimintaa. Myös topologisesti optimoituihin ohutlevykappaleisiin liittyvää mekaniikkaa käsitellään lyhyesti.
Kokeellisessa tutkimuksessa tutkittiin umpilevyn ja topologisesti optimoidun levyn lujuusteknisiä eroja simuloimalla. Huomion kohteena olivat epästabiiliusilmiöt, jotka rajoittavat hoikkien rakenteiden keventämistä ja joita Solidworksin Topology Study ei huomioi. Koekappaleita oli 2 ja näistä johdettuja erilaisia versioita yhteensä 10. Kokeiden tulosten perusteella levyn topologian optimointi voi olla kannattavaa, etenkin jos levyn kaikkia reunoja ei ole tuettu.
Tapaustutkimuksessa selvitettiin topologian optimoinnilla saavutettavia etuja käytännön esimerkin kautta. Tutkimuskohteena oli O2-luokan perävaunun runkopalkki. Kevyempi perävaunu parantaa taloudellisuutta ja mahdollistaa painavampien kuormien kuljettamisen ajoneuvon sallitun perävaunumassan rajoittaessa kokonaismassaa. Alkuperäisestä runkopalkista luotiin malli vertailua varten. Runkopalkille kehitettiin vaihtoehtoinen malli, josta saatiin topologian optimoinnilla alkuperäistä palkkia kevyempi ja jäykempi rakenne. Topology optimization is a computational method for determining the optimal layout of material subject to given objectives and constraints. Commonly implemented with finite element method, topology optimization determines which elements remain as a part of the structure. This thesis is restricted to structural topology optimization under static loads.
This thesis examines the topology optimization of sheet metal parts using the simulation tools of Solidworks. The thesis can be divided into three sections which are: theoretical section, exper imental research, and case study. The mathematics governing Solidworks Topology study are discussed in the theoretical section. Concepts of mechanics related to sheet metal topology opti mization are also shortly discussed.
In the experimental section, a comparison regarding strength is made between solid plate parts and topology optimized parts with holes. The main concern is stability as Solidworks Topol ogy Study ignores it. The results show that topology optimization of sheet metal parts can be beneficial, especially if the plate is not restrained on its all edges.
The case study examines the feasibility of topology optimization through a practical example. The case object is a main beam of an O2 class trailer. An alternative shape for the beam is first modeled. After topology optimization of the alternative beam, a lighter yet stiffer structure is achieved.
Työssä tutkitaan ohutlevykappaleiden topologian optimointia Solidworksin simulaatiotyökaluilla. Topologisesti optimoitujen ohutlevykappaleiden parametrinen mallintaminen ja valmistettavuuden huomiointi on yksinkertaista verrattuna kolmiulotteisiin kappaleisiin. Topologian optimoinnissa muodostuvat mielivaltaisen muotoiset reiät voidaan leikata ohutlevykappaleeseen tietokoneohjatusti esimerkiksi laserleikkauksella. Näin ollen työn tavoitteena on selvittää, milloin ohutlevykappaleen topologian optimointi on lujuusteknisestä näkökulmasta kannattavaa.
Työ jakaantuu kolmeen osaan, jotka ovat teoriaosuus, kokeellinen tutkimus ja tapaustutkimus. Teoriaosuudessa selvitetään Solidworksin Topology Study -toiminnon taustalla vaikuttavaa topologian optimoinnin matemaattista toimintaa. Myös topologisesti optimoituihin ohutlevykappaleisiin liittyvää mekaniikkaa käsitellään lyhyesti.
Kokeellisessa tutkimuksessa tutkittiin umpilevyn ja topologisesti optimoidun levyn lujuusteknisiä eroja simuloimalla. Huomion kohteena olivat epästabiiliusilmiöt, jotka rajoittavat hoikkien rakenteiden keventämistä ja joita Solidworksin Topology Study ei huomioi. Koekappaleita oli 2 ja näistä johdettuja erilaisia versioita yhteensä 10. Kokeiden tulosten perusteella levyn topologian optimointi voi olla kannattavaa, etenkin jos levyn kaikkia reunoja ei ole tuettu.
Tapaustutkimuksessa selvitettiin topologian optimoinnilla saavutettavia etuja käytännön esimerkin kautta. Tutkimuskohteena oli O2-luokan perävaunun runkopalkki. Kevyempi perävaunu parantaa taloudellisuutta ja mahdollistaa painavampien kuormien kuljettamisen ajoneuvon sallitun perävaunumassan rajoittaessa kokonaismassaa. Alkuperäisestä runkopalkista luotiin malli vertailua varten. Runkopalkille kehitettiin vaihtoehtoinen malli, josta saatiin topologian optimoinnilla alkuperäistä palkkia kevyempi ja jäykempi rakenne.
This thesis examines the topology optimization of sheet metal parts using the simulation tools of Solidworks. The thesis can be divided into three sections which are: theoretical section, exper imental research, and case study. The mathematics governing Solidworks Topology study are discussed in the theoretical section. Concepts of mechanics related to sheet metal topology opti mization are also shortly discussed.
In the experimental section, a comparison regarding strength is made between solid plate parts and topology optimized parts with holes. The main concern is stability as Solidworks Topol ogy Study ignores it. The results show that topology optimization of sheet metal parts can be beneficial, especially if the plate is not restrained on its all edges.
The case study examines the feasibility of topology optimization through a practical example. The case object is a main beam of an O2 class trailer. An alternative shape for the beam is first modeled. After topology optimization of the alternative beam, a lighter yet stiffer structure is achieved.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8798]