Topologieoptimierung Ihres SOLIDWORKS Bauteils

Wie kann man ein Bauteil optimieren, um Gewicht zu sparen und gleichzeitig seine strukturellen Eigenschaften erhalten? Dieser Blogbeitrag gibt die Antwort zur Topologieoptimierung Ihres SOLIDWORKS Bauteils.

Vorstellung des Bauteils

In diesem Beispiel optimieren wir eine Pedalkurbel eines Mountainbikes.

Topologieoptimierung Pedalkurbel eines Mountainbikes

Wir verwenden das Modul “Topologische Optimierung”, welches ab der Lizenz SOLIDWORKS Simulation Professional verfügbar ist.

Hinweis: Es kann nur ein einzelnes Bauteil optimieren werden und nicht alle Teile einer Baugruppe.

Vorbereitung der Topologiestudie in SOLIDWORKS Simulation

Es wird eine neue Topologische Studie erstellt:

Einrichten von Randbedingungen

Das Material wird vom SOLIDWORKS-Modell übernommen: 1060 Alloy
Es werden die Montageflächen im Eingriff mit dem Innenlager angespannt

Eine Auflagelast von 2500N wird auf die Pedalstelle ausgeübt

Topologieziele und -bedingungen einrichten

Das Standardkriterium für eine topologische Analyse ist die Suche nach der optimalen Steifigkeit im Verhältnis zum Gewicht.

Der Algorithmus für die Optimierung erzeugt die Form eines Bauteils mit der größten Steifigkeit, unter Berücksichtigung der gegebenen Masse, die aus dem ursprünglichen maximalen Designraum entfernt wird.

Wird das Ziel der größten Steifigkeit gewählt, versucht der Algorithmus, die Gesamtnachgiebigkeit des Modells zu minimieren, die ein Maß für die Gesamtflexibilität (Kehrwert der Steifigkeit) ist. Die Nachgiebigkeit ist definiert als die Summe der Verformungsenergien aller Elemente.

Es gibt jedoch auch andere Kriterien, wie die Minimierung der Masse oder die Minimierung der maximalen Verschiebung.

Es wird jedoch empfohlen, zunächst nur das Ziel des besten Verhältnisses von Steifigkeit zu Gewicht zu verfolgen, um eine anfänglich optimierte Form Ihres Bauteils zu erhalten. Hier wird nun das Ziel gesetzt, die Masse im Vergleich zur Ausgangsmasse des Bauteils um 70 % zu reduzieren.

Neben dem Optimierungsziel können auch konstruktive Randbedingungen vorgegeben werden. Damit wird sichergestellt, dass die geforderten mechanischen Eigenschaften wie maximale Durchbiegung und Masse sowie die Anforderungen an den Herstellungsprozess erfüllt werden.

Auferlegte Randbedingungen schränken die Lösungen für den Entwurfsraum ein. Sie setzen Grenzen für verschiedene Elemente, wie z.B. den Prozentsatz der zu entfernenden Masse, Leistungsziele für Spannungen (Sicherheitsfaktor), Verschiebungen oder Eigenfrequenzen, die im Modell beobachtet werden.

In unserem Beispiel und im Allgemeinen bei einer ersten Iteration der Berechnung ist es wichtig, die Daten einfach zu halten. In diesem Fall wenden wir nur eine zusätzliche Fertigungsrandbedingung vom Typ „Beibehaltene Bereiche“ an. Dies betrifft insbesondere die Verbindungsbohrung zum Tretlager und die Gewindebohrung des Pedals.

Beibehaltene Bereiche: Diese Bereiche nehmen nicht an der Topologieoptimierung teil und bleiben unverändert.

Wir fügen auch eine Symmetriesteuerung ein.

Bemerkung: Flächen, auf die Lasten und Randbedingungen angewendet werden, werden automatisch als gehaltene Flächen behandelt.

Diese Standardeinstellung kann in den Eigenschaften der Studie geändert werden:

Modellvernetzung

Die Größe der Elemente des FE-Modells hat einen großen Einfluss auf das Endergebnis der Topologieanalyse, so wie auch bei anderen Arten der Simulationsanalyse. Es wird empfohlen, in der ersten Iteration noch nicht zu sehr zu verfeinern, damit eine angemessene Lösungszeit gewährleistet werden kann. An kritischen Stellen kann jedoch eine Vernetzungskontrolle hinzuzugefügt werden.

Wir zeigen im folgenden wie:

Wir können nun die Vernetzung generieren:

Tasks während der Auflösung

Wir können nun die Auflösung dieser Analyse starten:

Während der Analyse besteht Zugang zu Konvergenzdiagrammen für die Ziele. Sobald man glaubt, dass die Berechnung ausreichend konvergiert ist, hat man die Möglichkeit, die Berechnung manuell zu stoppen und die Zwischenergebnisse anzuzeigen, noch bevor der Solver die letzte Iteration abgeschlossen hat.

Hier wird nun die ganze Berechnung beendet.

Nachbereitung

Darstellung der Materialmasse

Bei der Topologieoptimierung geht die Software von einem vorgegebenen maximalen Bauraum für ein Bauteil aus, der alle seine Elemente umfasst. Anschließend wird in einem iterativen Prozess eine neue Materialverteilung ermittelt, die zu einer leichteren, aber steifen Struktur führt.

Nach Abschluss des iterativen Optimierungsprozesses kann die optimierte Form des Bauteils in einer Visualisierung der Materialmasse dargestellt werden.

Versuchen wir nun zu verstehen, was uns die Farbskala anzeigt:

Gelb: Diese gelben Elemente wurden vom Algorithmus ausgewählt um behalten zu werden.
Elemente mit einer hohen relativen Dichte ρ(e) > 0,7 werden als feste Elemente betrachtet. Diese festen Elemente tragen zur Gesamtsteifigkeit des Bauteils bei und bleiben im endgültigen Entwurf erhalten.
Dunkel-Lila: Diese Elemente wurden als OK zum Entfernen ausgewählt.
Elemente mit einer geringen relativen Dichte ρ(e) < 0,3 werden als weiche Elemente betrachtet. Diese weichen Elemente tragen nicht zur Gesamtsteifigkeit des Bauteils bei und können entfernt werden. Die Standardposition des Schiebereglers Isowert entfernt solche Elemente.

Wenn der Schieber in Richtung Schwer bewegt wird, werden alle Elemente einbezogen.

Wenn der Schieber in Richtung Leicht bewegt wird, werden nur die festen Elemente (mit einer relativen Dichte ρ(e) = 1,0) berücksichtigt, die nicht entfernt werden können.

Die Analyse die Gesamtmasse des Bauteils hat mit dem Standard-Schieberegler „Isowert“ die ursprünglichen Masse auf 35% reduziert.

Das bedeutet, dass wir von 506,7 g auf 103,7 g kommen!

Berechnung des geglätteten Netzes

Um das empfohlene Ergebnis der Topologieanalyse nun noch zu optimieren, kann die Netzglättung aktiviert werden.

SOLIDWORKS erzeugt ein glatteres Flächennetz aus dem Materialverlauf der aktiven Konstruktion (Elemente, die unregelmäßige Kanten und scharfe Ecken erzeugen, werden entfernt oder modifiziert).

Nun erfolgt der Export von der geglätteten optimierten Topologischen Geometrie.

Es sind mehrere Exportoptionen möglich:

In der Aktiven Konfiguration, z. B. als Grafikkörper
In einer Neuen Konfiguration
Als Neues Bauteil

Sie haben jedes mal die Möglichkeit den Körpertyp auszuwählen, d. h. Grafik, Festkörper (Volumenkörper) oder Fläche (Oberflächenkörper).

Grafik-Körper

Exportiert die Daten des geglätteten Netzes in ein leichtes Format zur Darstellung der Konturgeometrie.

Volumen-Körper

Die Daten des geglätteten Netzes werden als Volumenkörper (Dateiformat *sldprt) exportiert. Dies eignet sich für 3D-Drucke, beansprucht aber mehr Rechenzeit.