Topologiaoptimointi koneensuunnittelun työkaluna

Abstract

Koneensuunnittelussa pyritään jatkuvasti löytämään ratkaisuja, joilla rakenteista saadaan mahdollisimman lujia, mutta samalla kevyitä. Topologiaoptimointi on yksi rakenteiden optimointimenetelmistä, joka ratkaisee tämän poistamalla materiaalia suunnittelualueelta siten, että jäljelle jäävä massa sijoittuu optimaalisesti jännityshuippujen alueille.

Työssä tarkasteltiin menetelmän teoreettisia perusteita, joiden toteutustavat perustuvat elementtimenetelmään. Kirjallisuuden mukaan eniten tutkittu ratkaisualgoritmi on SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization), johon tässä työssä syvennyttiin. Metodissa yksittäisen elementin laskennallista jäykkyyttä penalisoidaan, jotta elementistä tulee epäedullisempi optimoinnin kannalta ja se poistetaan. Tällä metodilla saadaan aikaan parempi tulosten suppeneminen kohti selkeää kiinteän materiaalin ja tyhjiön rajaa.

Topologiaoptimoinnin tuottamat orgaaniset ja monimutkaiset muodot asettavat kuitenkin merkittäviä haasteita valmistettavuudelle, erityisesti perinteisiä valmistusmenetelmiä käytettäessä. Topologiaoptimointi tuottaa herkästi esimerkiksi onteloita kappaleeseen, jotka eivät ole valmistettavissa perinteisillä menetelmillä. Sen sijaan ainetta lisäävän valmistuksen, kuten 3D-tulostuksen, tarjoama suunnitteluvapaus palvelee optimoituja kappaleita erinomaisesti. Toisaalta perinteinen valmistus tarjoaa mittatarkkuutta ja tuotannon skaalautuvuutta. Ohjelmiston tuottamaa raakamallia voitaisiin teoriassa käyttää suoraan valmistuksessa, mutta mallit sisältävät piirteitä jotka ovat pienimmillään yhden elementin kokoisia. Tästä syystä mallit vaativat usein jälkiprosessointia joka saattaa olla työlästä mallien pintojen ollessa tesseloituja. Topologiaoptimoitua kappaletta voidaan myös käyttää referenssinä kappaleen uudelleensuunnittelussa, joka usein tarkoittaa, että alkuperäiseen kappaleeseen muodostetaan leikkauksia topologiaoptimoidun mallin mukaan. Malleista tulee täten hieman vähemmän optimaalisia, mutta ne ovat myös helpommin valmistettavissa.

Työssä toteutettiin käytännön case-esimerkki SolidWorks-suunnitteluohjelmistossa, jossa optimoitiin staattisesti kuormitettu korvake. Tulokset osoittivat menetelmän tehokkuuden: optimoidun raakamallin massa pieneni 58% alkuperäisestä lujuusvaatimusten silti täyttyessä. Lisäksi työssä osoitettiin, että raakamallia referenssinä käyttämällä voidaan luoda leikattu malli, jolla saavutettiin lähes yhtä merkittävä 49% massansäästö, mutta joka on ongelmitta valmistettavissa perinteisillä menetelmillä.