Diseño Generativo (Optimización Topológica) con Solid Edge ST10

El nuevo módulo de Diseño Generativo (Generative Design, es decir, Optimización Topológica) es una pieza clave en la familia de herramientas de Diseño Mecánico 3-D de Solid Edge ST10 desarrollado por SIEMENS. El futuro del desarrollo de productos 3-D ya está aquí, ya es una realidad total, y trae consigo una integración perfecta de piezas y cuerpos a base de mallas STL con los componentes B-REP de modelado sólido 3-D más tradicionales.

La tecnología de Modelado Convergente (Convergent Modeling) de Siemens ofrece las mejores soluciones para Diseño Generativo, Fabricación Aditiva e Ingeniería Inversa para superar los desafíos de diseño y los retos de fabricación más extremos y complejos, de la forma más rápida y eficiente.

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19.- OPTIMIZACION TOPOLOGICA con FEMAP y NX NASTRAN

Hola!,
FEMAP V10.2 permite realizar Optimización Topológica No-Paramétrica a partir de un Análisis Estático Lineal (SOL101) o de un Análisis de Frecuencias (SOL103) utilizando conjuntamente el solver de elementos finitos NX NASTRAN V7.1 y el programa de optimización topológica TOSCA Structure de FE Design GmbH (Alemania), software incluido en el CD de instalación de la última versión de FEMAP V10.2. El funcionamiento es muy simple y sencillo ya que no requiere ninguna parametrización geométrica del modelo de elementos finitos, simplemente con tener la malla, cargas y condiciones de contorno podemos lanzar el proceso de optimización topológica y dejar que el programa nos sugiera ahorros de material del 30% !!

En general, la Optimización Topológica permite obtener la distribución óptima de material en un espacio dado para crear un diseño óptimo, en base a las cargas y condiciones de contorno impuestas al diseño. Típicamente, este tipo de optimización elimina material del modelo original creando agujeros, recortes o hendiduras, y/o cambiando radicalmente la forma general de la pieza.

El módulo de Optimización Topológica soporta los siguientes tipos de elementos lineales y parabólicos, así como elementos rígidos y contactos:

  • CHEXA, CTETRA, CPENTA.
  • CQUAD, CQUAD4, CQUAD8, CQUADR, CSHEAR, CQUADX.
  • CTRIA3, CTRIA6, CTRIAR, CTRIAX, CTRAX6.
  • CBAR, CBEAM, CBEND, CBUSH, CGAP, CONM1, CMASS1.

Las Variables de Diseño que se pueden optimizar son:

  • Peso (masa).
  • Frecuencias naturales de vibración.
  • Rigidez.

Los Objetivos de Optimización son los siguientes:

  • Maximizar Rigidez y reducir Volumen.
  • Maximizar Frecuencias y reducir Volumen.
  • Minimizar Volumen y satisfacer las Restricciones de Desplazamiento.

DEFINICION DE LA OPTIMIZACION

El módulo de Optimización Topológica usa los resultados de NX NASTRAN para controlar de forma iterativa el proceso de distribución de material. Tras realizar un análisis inicial el algoritmo de optimización analiza los resultados de todos los casos de carga y determina qué elementos deben tener sus propiedades “debilitadas” para simular discontinuidades estructurales y a la vez satisfacer los objetivos y restricciones de diseño impuestas. El programa continúa iterando utilizando el solver NX NASTRAN testeando cambios del modelo en todas las direcciones hasta conseguir la convergencia de la solución o alcanzar el máximo de 50 iteraciones.

RESTRICCIONES DE FABRICACION

También permite prescribir Restricciones de Fabricación, tales como Simetría, o definir espesores de pared máximos o mínimos, así como aplicar restricciones de desmoldeo. También se pueden designar áreas del modelo para que permanezcan sin cambios, y hacer que los elementos que tengan aplicadas cargas y restricciones se mantengan sin cambios (opción “auto-freeze“).

La siguiente figura muestra los resultados de optimización topológica tras imponer distintas condiciones de fabricación por simetría:

Restricciones de Fabricación de Simetría:     1.- Placa sin simetría.     2.- Placa con simetría cíclica.   3.- Placa con simetría respecto al plano medio

POSTPROCESADO DE RESULTADOS

Los resultados generados por el módulo de Optimización Topológica incluyen la forma optimizada del modelo así como varios vectores de datos. La”forma óptima” de la geometría de la pieza se guarda en formato STL, el cual se importa en FEMAP en un nuevo grupo como una malla 2-D a base de elementos triangulares del tipo “plot-only” y se visualiza superpuesta sobre el modelo original.

Los resultados que se importan en FEMAP tras ejecutar el módulo de optimización topológica son los siguientes:

  • E_CTRL: envolvente de máxima tensión vonMises por elemento.
  • MASS_PROP: densidad modificada (actual)
  • MASS_PROP_NORMALIZED: densidad modificada (normalizado)

El siguiente vídeo muestra el proceso completo de Optimización Topológica a realizar en FEMAP V10.2 & NX Nastran V7.1:

Saludos,
Blas.