Если вы ещё не знакомы с этим программным продуктом, Ansys Discovery Live – это инструмент для быстрого проектирования, основанный на интерфейсе SpaceClaim. Он позволяет практически в режиме реального времени выполнять простые расчёты различных явлений: теплопередача, потоки жидкости и газа, прочность, модальный расчёт и расчёт электрического поля.

Поразительная скорость работы достигается за счёт использования вычислительной мощности современных видеокарт, при этом точность результатов, конечно же, уступает соответствующим полным расчётам во флагманских программных продуктах Ansys. Однако возможность моментально увидеть, как изменение, добавление и перестановка элементов геометрической модели, выполненных в среде SpaceClaim, влияют на результаты расчётов, представляет огромную ценность для инженеров-конструкторов.

Одной из наиболее интересных функций Discovery Live является возможность выполнения топологической оптимизации с целью уменьшения количества материала в конструкции при сохранении оптимальной жесткости для заданных условий нагружения. Такие расчёты становятся всё более актуальными в связи с распространением 3D-печати и других технологий аддитивного производства, для которых уменьшение объёма материала приводит к экономии как времени изготовления, так и денежных затрат. Эти технологии также позволяют изготавливать конструкции сложной неправильной формы, производство которых ранее при помощи традиционных технологий, таких как фрезерование, было слишком дорогим или даже невозможным.

В данной статье мы хотим поделиться нашими наработками в ответ на запросы клиентов о демонстрации возможностей и обучении программному продукту Discovery Live, в частности для задач топологической оптимизации. Поразительная простота использования Discovery Live конкретно для таких задач подталкивает к тому, чтобы поделиться этим с читателями, а не прятать такую жемчужину в глубинах наших образовательных семинаров.

Для этой цели в качестве примера мы выбрали характерную геометрическую модель узла навески двигателя, сохранённую в формате .stp. Габаритные размеры составляют около 10 см в ширину, 5 см в высоту и 5 см в глубину. Предположим, что она изготавливается из нержавеющей стали (хотя это не так уж и важно для этой демонстрации).

Рисунок 1 – Исходная геометрическая модель узла навески двигателя с заданным жестким закреплением и нагрузкой

Три болтовых отверстия по периметру жёстко закреплены, а к передним цилиндрическим граням приложена нагрузка в 9069 Н (-9000 Н по оси X, 1000 Н по оси Y и 500 Н по оси Z). Теперь мы просто добавляем к нашему прочностному расчёту в Discovery Live расчёт топологической оптимизации. Тут можно задать ещё несколько настроек: насколько мы хотим уменьшить количество материала, а сколько материала мы хотим сохранить вокруг заданных граничных условий. Для задания степени облегчения детали можно задать желаемый объём в процентах от исходного, либо как абсолютное значение. Что касается областей в районе заданных граничных условий, то они сохраняются в пределах некоторого расстояния (inflation length) по нормали от соответствующих поверхностей. При выделении этой настройки в дереве расчётов сохраняемая область наглядно показывается на модели.

Рисунок 2 – Сохраняемая пристеночная область (inflation zone) вокруг каждого граничного условия (закреплений и нагрузок)

Поскольку я уже знаю, какие результаты хочу сравнить в этом расчёте, я сразу задаю объём оптимизированной модели равным 30 см3. После запуска расчёта можно наблюдать за процессом оптимизации, который происходит параллельно с приближённым прочностным расчётом для проверки каждой итерации. По умолчанию выводится график результатов, показывающий объём оптимизированной модели, который довольно быстро сходится к заданной величине. Продолжительность этого процесса, как и для всех расчётов в Discovery Live, сильно зависит от заданной детализации (Fidelity). При положении ползунка «Скорость-Детализация» (Speed-Fidelity) по умолчанию на моём компьютере с видеокартой Quadro K4000 расчёт был выполнен всего за 7 минут 50 секунд.

а)

б)

Рисунок 3 – а) Промежуточный результат; б) Финальный результат оптимизации

После завершения процесса оптимизации станут доступными еще несколько инструментов. Если мы хотим работать с оптимизированной геометрией, необходимо преобразовать результат в геометрическое тело. Для этого в дереве расчётов (Solution) появляются две кнопки, которые позволяют получить полигональное тело (faceted body). Разница состоит лишь в том, что во втором случае геометрия более сглажена. Вы можете выбрать любую из них в зависимости от ваших дальнейших целей. [Примечание: в версии 2020R1 была добавлена кнопка для преобразования результата в твердотельную геометрию].

Рисунок 4 – Преобразование результатов в полигональное тело (faceted geometry)

Рисунок 5 – Оптимизированная модель в виде полигонального тела (faceted body)

Рисунок 6 – Оптимизированная модель в виде сглаженного полигонального тела

Хотя в процессе оптимизации и выполняются приближённые расчёты напряжений, результат оптимизации обычно требует проведения проверочного расчёта. Отличительной особенностью Discovery Live является то, что этот программный продукт позволяет проводить расчёты полигональных тел, поэтому для проверочного расчёта достаточно просто нажать правой кнопкой мыши на оптимизированный результат (optimized result) в дереве расчёта (Solution) и выбрать опцию «Create Validation Solution». В результате оптимизированная геометрическая модель копируется для проведения нового прочностного расчёта, сохраняя при этом ранее заданные закрепления и нагрузки. Это позволяет более точно контролировать достоверность проверочного расчёта, довольно быстро предоставляя подтверждение результатов, полученных при оптимизации. Установив максимальную детализацию для оптимизированной модели, мы получили максимальное напряжение равным около 360 МПа, в то время как для неоптимизированной конструкции эта величина составляла 267 МПа. При этом в результате оптимизации объём материала уменьшился более чем в два раза.

Рисунок 7 – Результаты проверочного расчёта оптимизированной конструкции. Прямоугольниками выделены зоны модели, границы которых совпадают с границами исходной геометрии

Может оказаться, что полученные величины напряжений в оптимизированной конструкции превышают допустимые. Тут важно отметить одно из ограничений в версии 2019R3: Discovery Live позволяет только убирать материал из исходной геометрической модели, но не добавлять его. Это означает, что все поверхности, которые не подвергались изменениям в процессе оптимизации, оказались важны для обеспечения конструкционной прочности при воздействии заданной нагрузки. Таким образом, если мы действительно хотим оптимизировать нашу конструкцию, нам первым делом следует добавить материал в этих областях, чтобы обеспечить больше пространства для алгоритма оптимизации.

В рассматриваемом примере мы можем вернуться к нашей исходной модели узла навески двигателя в Discovery Live и при помощи встроенных инструментов SpaceClaim увеличить толщину опорной пластины, а также радиус скруглений у перехода несущих элементов в опору.

Рисунок 8 – Изменённая геометрическая модель узла навески двигателя с утолщенной опорной пластиной и увеличенными скруглениями

Затем мы можем провести ещё раз тот же расчёт, указав ту же величину объёма итоговой модели. Это должно повысить прочность нашей оптимизированной детали. Действительно, мы видим, что после второго расчёта оптимизированная конструкция всё ещё имеет объём 30 см3, при этом величина максимальных напряжений уменьшилась до 256 МПа. Следует отметить, что Discovery Live вполне можно использовать для таких расчётов в практической работе инженера-конструктора, так как весь процесс редактирования модели и расчёта может быть выполнен меньше чем за 10 минут.

Рисунок 9 – Результаты проверочного расчёта оптимизированной конструкции после изменения исходной геометрии

Конечно, после получения результата в Discovery Live следует экспортировать модель для более детального проверочного расчёта во флагманском программном продукте Ansys Mechanical (или Discovery AIM). Мы не рассматриваем этот шаг в данной статье, но надеюсь, она смогла показать наглядный пример практического использования такого потрясающего инструмента как Discovery Live.

В заключение я хотел бы отметить, что, хотя в статье использовалась версия 2019R3, в версии 2020R1 возможности оптимизации Discovery Live были несколько расширены. Теперь вы можете не только задавать объём материала оптимизированной модели, но и ограничивать, на сколько может снизиться жесткость конструкции. Кроме этого, появилось ещё несколько настроек для реализации технологических ограничений, такие как задание максимальной толщины детали и запрет на нависающие выступы в указанном направлении. Теперь можно проводить топологическую оптимизацию по модальному расчёту (как самому по себе, так и в сочетании со статическим расчётом) и по нескольким расчётным случаям статического расчёта. Эти постоянные обновления, уверен, не могут не радовать пользователей, и мы надеемся на дальнейшее расширение функциональных возможностей Discovery Live в сфере топологической оптимизации.

Источник: padtinc.com
Автор: Josh Stout