Топологическая оптимизация при проектировании облегченных деталей
Вам когда-нибудь приходилось, глядя на детали, думать, что некоторые из них на вид недостаточно прочны, а другие — чересчур массивны?
Если в вашей области деятельности важны малый вес и прочность, то естественной целью будет выбрать такую конфигурацию детали, которая, обладая наименьшей массой, без проблем выполняла бы свое функциональное предназначение. В SOLIDWORKS Simulation Professional есть возможность оптимизации топологии деталей, которая заключается в снижении массы при обеспечении необходимого запаса прочности.
Давайте посмотрим, как это делается, на примере плеча рычага робота, который был представлен в 2015 году на студенческом конкурсе FIRST Robotics Competition (FRC). Массу поворотного плеча следовало оптимизировать так, чтобы робот был способен поднимать необходимый груз.
По условиям конкурса, робот без груза должен был весить не более 55 кг, поэтому к его конструкции участникам пришлось отнестись максимально серьезно. Конструкторские группы применяли облегченные детали, вырезая излишний материал везде, где это было возможно.
Пример облегченного шасси робота
Но сразу возникает вопрос: в каких местах можно удалить материал так, чтобы не нанести ущерба функциональности детали?
Для упрощения предположим, что плечо изготовлено из профиля прямоугольного коробчатого сечения 50 х 25 мм (см. иллюстрацию ниже). Для начала в SOLIDWORKS был выполнен статический прочностной расчет.
Роликовый захват, опирающийся на два плеча, перед окончательной сборкой
Роликовый захват и груз вместе весят около 7 кг, но из-за ряда дополнительных нагрузочных условий мы считали с запасом, что каждое плечо (их по одному с каждой стороны) должно выдерживать 9 кг. Другой конец каждого плеча соединен с корпусом через цепную передачу.
Прочностной расчет сплошной трубки, которая весит немногим больше 1 кг (а два плеча, следовательно — 2 с небольшим кг), показал, что при заданной нагрузке механическое напряжение составляет около 63 МПа. Материал плеч — алюминиевый сплав (с пределом текучести 275 МПа). Запас прочности составил 4,34 — видно, что деталь слишком массивна.
Прочностной расчет плеча, изготовленного из сплошной трубки
Роботу необходимо было «похудеть», и для этого его традиционно отправили на сверлильный станок. Тем более, выяснилось, что к роботу будет присоединена дополнительная система, и уже имеющуюся оснастку обязательно нужно было сделать на 7 кг легче. Плечи захватного механизма должны были внести в это свой вклад, но прежде чем начинать физическое удаление материала, мы смоделировали его в цифровом формате в SOLIDWORKS.
Если удалить слишком много материала, не станет ли деталь менее прочной? Этого обычно опасаются больше всего. Чтобы быть уверенными в правильности решения, мы провели еще один расчет. Выяснилось, что если расположить вырезы слишком близко к местам сочленения, плечи не выдержат нагрузки.
Прочностной расчет облегченного плеча с отверстиями
В SOLIDWORKS было проведено несколько расчетов для различных конфигураций отверстий в детали — и, наконец, удалось добиться компромисса между массой и прочностью. Оба плеча механизма в сумме теперь весили 1,4 кг. Выигрыш в массе составил почти 40%, но когда разработчики повторно проверили запас прочности, оказалось, что здесь изменений практически не произошло. Запас прочности составил 4,2 — то есть по этому параметру конструкция осталась такой же избыточной. Тем не менее, после фрезерования вырезов в компонентах, перехода на более легкие материалы и применения трубок с уменьшенной толщиной стенок массу робота удалось сделать на 0,09 кг меньше предельно допустимой. Робот отправился покорять конкурсные вершины, а конструкторы вздохнули с облегчением.
Тогда, в 2015 версии, оптимизация проводилась вручную. В SOLIDWORKS 2018 появились средства автоматизированной топологической оптимизации, поэтому полезно будет вернуться и оценить перспективы облегчения нашей детали, которая и в наши дни применяется в конструкциях промышленных роботов.
Уменьшение массы на 50% после первого этапа оптимизации
Итак, поставим для начала цель снизить массу детали на 50%. В исходных условиях для SOLIDWORKS указано, что требуется оставить достаточное количество материала в месте крепления звездочки цепной передачи и на запястье, к которому присоединяется захват. Массу удалось уменьшить на 50%, но запас прочности так и не опустился ниже 3,2 — может быть, продолжать дальше и не стоит?
Ну почему же? Давайте попробуем уменьшить массу на 75%!
При уменьшении массы плеча робота на 75% запас прочности составил 2,1. Но такие ажурные детали на первый взгляд воспринимаются скептически — не верится, что они будут надежно работать. Тем не менее, расчет подтверждается практикой, и полученная конструкция действительно способна выдержать приложенную нагрузку.
Большинство конструкторов разрабатывают облегченные детали, снабжая их треугольными вырезами и подбирая для них оптимальное расположение.
Однако смоделированная деталь и деталь в производстве (изготавливаемая, например, методом 3D-печати) — это не совсем одно и то же, поэтому с конструкторскими данными требуется еще немного поработать.
Экспортируем деталь в тело сетки.
Получив в SOLIDWORKS тело сетки, мы можем проделать с ним ряд полезных манипуляций.
Сама по себе сетка не обладает интеллектуальностью, но мы можем дорабатывать модель на ее основе и использовать ее как шаблон для размещения вырезов. На этом этапе обычно добавляют скругления и дополнительные геометрические элементы, проверяя их воздействие на запас прочности.
Сетка используется в качестве основы в процедуре подгонки вырезов.
После подгонки модель весит 0,3 кг и имеет запас прочности 2,7!
Но полученный результат — не совсем то, что требовалось. Вырезы в детали неоднородны и непривлекательны эстетически, а сама деталь слишком ажурна. Теперь, когда мы умеем оптимизировать топологию, можно более четко сформулировать условия, чтобы деталь стала более технологичной в изготовлении и практичной в использовании.
Исследовав деталь под воздействием дополнительных нагрузок,в том числе крутящего момента, мы в конце концов получили оптимальный для заданных условий результат. Плечо робота массой 0,4 кг способно выдержать все три типа прикладываемой к нему нагрузки, имеет равномерную структуру вырезов и технологично в изготовлении — и все это благодаря возможностям топологического анализа SOLIDWORKS!
Окончательная деталь: масса 0,4 кг, снижение массы на 63%, выдерживает все 3 прикладываемые нагрузки
SOLIDWORKS Simulation, кстати, наглядно подтверждает правоту инженеров, которые всегда интуитивно делали вырезы в деталях треугольными — ведь именно такова картина распространения механического напряжения из точки A в точку B.
Для получения дополнительной информации о SOLIDWORKS Dassault Systèmes®, пожалуйста, посетите сайт.
Подписывайтесь на новости Dassault Systèmes и всегда будьте в курсе инноваций и современных технологий.
Dassault Systèmes официальная страница: www.3ds.com/ru
Dassault Systèmes в соц.сетях:
Facebook, Vkontakte, Linkedin
3DS Blog WordPress
3DS Blog Render
3DS Blog Habr