[recovery mode] Обзор софта для топологической оптимизации и бионического дизайна

Биодизайн, или бионический метод проектирования предполагает использование в разрабатываемых конструкциях эффективных решений позаимствованных в природе. В целом, это плавные линии, распределенная структура тонких сплошных или трубчатых конструкций. Биодизайн — частный случай топологической оптимизации, средства достижения оптимального сочетания механической прочности и легкости, путем хорошо просчитанного распределения материала в детали, как правило — с усложнением ее структуры.
В этой статье мы рассматриваем ПО, которое способно справиться с этими задачами.

Как это работает

Современные средства проектирования позволяют не только прогнозировать степень деформации детали, но и оптимизировать ее, в соответствии с заданными рамками массы и прочности. В общем случае, подготавливается модель-заготовка, из которой в дальнейшем удаляется лишний материал. Этот процесс носит название топологической оптимизации. Еще один термин, часто употребляемый в данном контексте — “генеративный дизайн”, он обозначает проектирование, частично выполняемое программными алгоритмами. Результатом топологической оптимизации является сложная структура, на основе которой формируется модель детали для производства. Такая деталь обладает требуемой прочностью при минимальной массе, но сложна в изготовлении традиционными способами, оптимальным будет аддитивное производство.

Примеры реализации

Изделия, выполненные с помощью генеративного дизайна, имеют непривычный футуристический вид и часто служат для демонстрации возможностей аддитивных технологий.

BMW S1000RR

Вот, например, BMW, для демонстрации перспектив технологии, сделала концепт-байк на основе S1000RR, но с легкой 3D-печатной металлической рамой. Если говорить о более утилитарных применениях — BMW уже использует 3D-печать в производстве “Роллс-Ройсов” и родстеров i8.

Мост MX3D

Голландцы из MX3D закончили производство несущей основы моста, который планируется установить в Амстердаме в 2019 году. При изготовлении моста использовалось ПО Autodesk и технология WAAM — наплавление металлического прутка промышленным роботом-манипулятором.

Российская промышленность

Мосты мы пока не печатаем, но в утилитарных областях топологическая оптимизация успешно применятся. Например, работает в этом направлении «Центр компьютерного инжиниринга» СПбПУ, используя ПО собственной разработки. Подробнее о решаемых задачах можно прочитать на сайте центра, здесь отметим, что речь идет в основном об аэрокосмической отрасли.

Программное обеспечение — комплексные системы

На рынке присутствует значительное количество программных продуктов, посредством которых можно производить расчеты по топологической оптимизации. Как правило, эту функциональность предоставляют пакеты, производящие моделирование деформаций и прочностные расчеты. Начнем с “больших” комплексов, применяемых для проектирования и расчетов в машиностроении.

Siemens NX

NX — универсальная комплексная система для проектирования, инженерных расчетов и подготовки управляющего кода для станков с ЧПУ — CAD, CAE и CAM. Топологическая оптимизация в рамках модуля NX CAE ориентирована на взаимодействие деталей в CAD-сборке.

В рабочее пространство помещается деталь подлежащая оптимизации, к ней присоединяются другие, которые не будут затронуты процессом, но участвуют во взаимодействии. Указание креплений и приложенных нагрузок производится именно в рамках сборки.

Siemens Solid Edge

Solid Edge — CAD-система твердотельного и поверхностного моделирования, прежде всего предназначенная для работы с деталями и сборками, но обладающая встроенным модулем инженерного анализа. Разработчик позиционирует Solid Edge как средство быстрого проектирования и прототипирования, «заточенное» под аддитивное производство.

Оптимизация производится в несколько шагов, без необходимости тонких настроек: загрузить «болванку», указать отверстия и места приложения нагрузки, задать требуемую долю снижения массы и запас прочности. Полученная деталь может быть напрямую отправлена в печать или доработана штатными средствами Solid Edge.

CATIA 3DEXPERIENCE

Платформа 3DEXPERIENCE, по состоянию на начало 2018 года, состоит из 104 модулей, которые называются ролями. Это решения для различных задач проектирования, управления процессом разработки, симуляции, визуализации. Одна из этих ролей — Function Driven Generative Designer.

Эта роль не только позволяет произвести оптимизацию топологии детали в соответствии с указанными требованиями, но и доработать полученный объект — упростить, убрать неровности.

SOLIDWORKS

Оптимизация топологии была добавлена в SOLIDWORKS 2018. Она доступна в модуле SOLIDWORKS Simulation редакций Professional и Premium. Инженер указывает нагрузки, условия оптимизации — например, наилучшее отношение жесткости к массе, и запускает исследование топологии. По завершении процесса, для подготовки к производству, выполняется сглаживание сетки оптимизированной детали.

Autodesk Fusion 360

Облачная платформа для проектирования, инженерных расчетов и подготовки к производству на станках с ЧПУ — CAD/CAE/CAM. В максимальной подписке, которая называется Ultimate, доступен модуль Advanced Simulation. Он отвечает за моделирование деформаций, работу с анизотропными материалами и оптимизацию топологии — Shape optimization.

Возможности для настройки оптимизации не очень широки, но для основной задачи — создания детали с минимальной массой и необходимой прочностью — достаточны.

ANSYS Mechanical

Основные функции этого программного продукта:
— статические расчеты;
— динамический анализ;
— тепловые расчеты;
— акустические расчеты.

ANSYS Mechanical позволяет моделировать деформацию конструкций под нагрузкой, рассчитывать влияние вибраций и возникновение резонансов. Для проведения автоматизированной топологической оптимизации необходимо импортировать модель-заготовку детали, указать точки крепления и приложения нагрузок, задать граничные условия, такие как минимальная толщина. Возможно моделирование как традиционных материалов, так и анизотропных — композиты, 3D-печатные детали.

Более простое и доступное программное обеспечение

Перейдем от «тяжелого» промышленного ПО к решениям, отличающимся меньшей функциональностью, более низким порогом вхождения и сравнительно доступной стоимостью.

solidThinking Inspire

В сравнении, например, с Ansys Mechanical — это более дружелюбное ПО, рассчитанное на решение нескольких узких задач — моделирования взаимодействия деталей в сборках, простого эскизного проектирования, топологической оптимизации. Объекты, с которыми необходимо работать, могут быть как созданы в Inspire, так и импортированы из других CAD-систем.

После «отрезания лишнего» оптимизированная деталь упрощается и сглаживается, что значительно улучшает внешний вид и позволяет сразу отправить ее в производство.

Помимо топологической оптимизации, Inspire способна формировать сетчатое заполнение вместо сплошного, эта функция пригодится при необходимости еще больше снизить массу детали.

Autodesk Netfabb Ultimate

Эта программа известна многим пользователям 3D-принтеров, как удобное средство «ремонта» сетки и разделения модели на части. Функциональность Netfabb 2018 значительно шире — там, например, есть создание ветвистых поддерживающих структур для FDM-печати, моделирование деформации металлических деталей для SLS и SLM, а в редакции Ultimate добавлены топологическая оптимизация и генерация сетчатого заполнения.

Для чего и для кого

Сейчас средства топологической оптимизации, в основном — компоненты больших CAD/CAM/CAE пакетов разработки Siemens, Dassault Systèmes, Autodesk. И применяется эта технология, если не говорить о чисто демонстрационных целях, в основном при 3D-печати металлическими сплавами. Генеративный дизайн, в сочетании с прочностным анализом, решает задачу уменьшения массы изделия при сохранении прочности, что актуально не только в аэрокосмической отрасли. В любом производстве экономия материала приведет к меньшим затратам, особенно когда речь идет о дорогостоящих металлических порошках.

Назвать простыми для освоения и финансово доступными большинство описанных программных продуктов сложно. Но есть и более простые решения, например — solidThinking Inspire. Можно предположить, что, со снижением стоимости оборудования и расходных материалов для печати металлами и инженерными пластиками, сравнительно несложные средства топологической оптимизации получат более широкое распространение.

Чтобы получить консультацию по выбору софта и приобрести ПО для CAD/CAM/CAE, обращайтесь в Top 3D Shop. Мы поможем с выбором программных продуктов и оборудования для решения любых задач прототипирования и производства.

Хотите больше интересных новостей из мира 3D-технологий?

Подписывайтесь на нас в соц. сетях: