Topologian optimoinnin käytettävyys jatkuvien rakenteiden suunnittelussa
Valtonen, Anna (2021)
Kandidaatintyö
Valtonen, Anna
2021
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021061738613
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021061738613
Tiivistelmä
Kirjallisuustutkimuksena toteutetun kandidaatintyön tavoitteena oli selvittää topologian optimoinnin käytettävyyttä mekaanisesti kuormitettujen jatkuvien rakenteiden kuten 3D-tulostettavien osien suunnittelussa.
Työn teoriaosassa käsitellään lyhyesti topologian optimoinnin teoriaa ja perehdytään topologian optimointia hyödyntävän suunnitteluprosessin vaiheisiin. Esimerkkinä topologian optimointiin käytettävästä ohjelmistosta käytetään SolidWorksin Topology Study -työkalua. FE-analyysia hyödyntävä iteratiivis-intuitiivinen suunnittelumenetelmä, joka on yleisin tapa uudenlaisten rakenteiden suunnitteluun, käydään läpi vaihtoehtoisena menetelmänä.
Tulokseksi saatiin tietoa optimointimenetelmistä ja mahdollisuuksista eri menetelmien yhdistämiseen. Löydettiin myös tietoa topologian optimoinnin sovellettavuudesta muihin valmistustekniikoihin kuten valaminen, leikkaus ja lastuava työstö. Saatiin myös esimerkkejä rakennetyypeistä, joihin topologian optimointia hyödynnetään.
Topologian optimoinnin selkeimmäksi eduksi osoittautui materiaalin säästö. Automaattisena iteratiivisena menetelmänä se on myös nopein tapa optimoida rakenteita, edellyttäen ettei tulos vaadi runsasta jälkikäsittelyä.
Selvisi, että kaupallisten ohjelmistojen kuten SolidWorksin taustalta löytyy tyypillisesti FE-menetelmää hyödyntävä SIMP-algoritmi. Näin ollen FE-menetelmän osaamista voidaan hyödyntää topologian optimoinnissa ja siirtyminen topologian optimoinnin ja iteratiivis-intuitiivisen suunnittelumenetelmän välillä on vaivatonta. Yhdeksi tavaksi hyödyntää topologian optimointia osoittautui referenssitopologian selvittäminen, jota käytetään perinteisellä tavalla suunniteltavan kappaleen pohjana. The aim of this bachelor’s thesis was to examine usability of topology optimization in design of continuous structures subjected to mechanical loading, such as 3D-printed parts. The thesis was conducted as a literature study.
In the theory part, the theoretical background of topology optimization is handled briefly. Then the phases of a topology optimization based design process are studied. The optimization program used as an example is the Topology Study found in SolidWorks. The iterative-intuitive design process that utilizes FEA, that is the traditional way to design new structures, is presented as an optional approach.
As a result, information was obtained about different design methods for optimization and what possibilities there are to move from one method to another during the design process. It was found that the features of the topology optimization program be utilized for different manufacturing methods besides AM, e.g. casting, cutting and machining. Examples were found of the types of structures for which topology optimization is most suitable.
The most obvious advantage of topology optimization was shown to be weight and material reduction. As an automatic iterative method, it is also the fastest way to optimize structures, unless a lot of manual post-processing is needed.
Commercial programs like SolidWorks typically use a SIMP optimization algorithm that is based on the finite element method. This makes it possible to utilize skills in FEA in topology optimization and moving from topology optimization to iterative-intuitive design process is effortless. One way to use topology optimization was found to be finding of reference topologies for the common FEA based design process.
Työn teoriaosassa käsitellään lyhyesti topologian optimoinnin teoriaa ja perehdytään topologian optimointia hyödyntävän suunnitteluprosessin vaiheisiin. Esimerkkinä topologian optimointiin käytettävästä ohjelmistosta käytetään SolidWorksin Topology Study -työkalua. FE-analyysia hyödyntävä iteratiivis-intuitiivinen suunnittelumenetelmä, joka on yleisin tapa uudenlaisten rakenteiden suunnitteluun, käydään läpi vaihtoehtoisena menetelmänä.
Tulokseksi saatiin tietoa optimointimenetelmistä ja mahdollisuuksista eri menetelmien yhdistämiseen. Löydettiin myös tietoa topologian optimoinnin sovellettavuudesta muihin valmistustekniikoihin kuten valaminen, leikkaus ja lastuava työstö. Saatiin myös esimerkkejä rakennetyypeistä, joihin topologian optimointia hyödynnetään.
Topologian optimoinnin selkeimmäksi eduksi osoittautui materiaalin säästö. Automaattisena iteratiivisena menetelmänä se on myös nopein tapa optimoida rakenteita, edellyttäen ettei tulos vaadi runsasta jälkikäsittelyä.
Selvisi, että kaupallisten ohjelmistojen kuten SolidWorksin taustalta löytyy tyypillisesti FE-menetelmää hyödyntävä SIMP-algoritmi. Näin ollen FE-menetelmän osaamista voidaan hyödyntää topologian optimoinnissa ja siirtyminen topologian optimoinnin ja iteratiivis-intuitiivisen suunnittelumenetelmän välillä on vaivatonta. Yhdeksi tavaksi hyödyntää topologian optimointia osoittautui referenssitopologian selvittäminen, jota käytetään perinteisellä tavalla suunniteltavan kappaleen pohjana.
In the theory part, the theoretical background of topology optimization is handled briefly. Then the phases of a topology optimization based design process are studied. The optimization program used as an example is the Topology Study found in SolidWorks. The iterative-intuitive design process that utilizes FEA, that is the traditional way to design new structures, is presented as an optional approach.
As a result, information was obtained about different design methods for optimization and what possibilities there are to move from one method to another during the design process. It was found that the features of the topology optimization program be utilized for different manufacturing methods besides AM, e.g. casting, cutting and machining. Examples were found of the types of structures for which topology optimization is most suitable.
The most obvious advantage of topology optimization was shown to be weight and material reduction. As an automatic iterative method, it is also the fastest way to optimize structures, unless a lot of manual post-processing is needed.
Commercial programs like SolidWorks typically use a SIMP optimization algorithm that is based on the finite element method. This makes it possible to utilize skills in FEA in topology optimization and moving from topology optimization to iterative-intuitive design process is effortless. One way to use topology optimization was found to be finding of reference topologies for the common FEA based design process.