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炫设计 | Creo 5.0新增关键功能科普之“拓扑优化”

究竟什么是拓扑优化?拓扑优化是如何实现的?科普帖子来了!

小编有话说

Creo 5.0针对拓扑优化、增材与减材制造、计算流体动力学和CAM等领域推出了多种关键功能。有许多小伙伴表示这些功能听着很炫酷,但具体是做些什么的呢?从今天起,小编就将陆续为大家介绍各项Creo 5.0新增关键功能。就让我们从拓扑优化开始吧!


你有没有在 CAD 图形窗口中看到过很奇特但又很有规律的零件图像?这些形状看起来是不是像异想天开的作品,而不是常规的作品?这些形状可能是拓扑优化研究出的结果。这种类型的应用程序现在已经可用 - 你可以亲自试试!


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使用拓扑优化创建的渲染零件


从某种意义上说,这些形状确实是非常奇特。但是,这并非源于工程师的设计思路,而是由计算机算法中的逻辑运算所得出的。


拓扑优化从一个初始的3D设计开始,比如一个长方体,通过在不断的迭代过程中去除材料最终达到最优化的设计结果。该方法不涉及美学、传统方法或您通常在设计中使用的任何其他通常的设计约束条件。简单来说,您只需定义好载荷及约束,它会自动计算迭代的路径并得到最终的设计结果。

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揭开神秘面纱

这项“魔法”背后的技术始于一个非常规则的有限元分析 (FEA) 网格,它占据了您定义的设计空间。最初的 FEA 将显示整个设计空间的应力分布,但也会显示哪些区域正在有效地工作。


每个单元都在反馈其应力与应变的状况;实际上这非常困难。那些没有承受太多应力且没有多少应变能的单元被认为不必要单元。拓扑优化算法将会从网格中移除这些不必要的单元。


然而,由于移除了这些单元,就需要注意整个的演化结构是否会受到单元偏移的影响。在某些情况下,这些单元可能会被丢弃。


拓扑优化算法需要排除一定数目的单元。这基于您设定的目标体积率。如果您的目标体积率为 30%,那么您需要丢弃一个常规网格中 70% 的单元。在实践中,如果单元一旦满足条件即不会被移除。会逐步接近目标体积率。每接近一次,单元的分布都会进行迭代,这样应力状态就会稳定下来。

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Creo 5.0 中的拓扑优化研究


被删除区域

许多优化算法中的操作与此Creo5.0中的操作略有不同。在每个步骤中从网格删除单元在技术上是相当复杂的并且在计算上花费的成本非常高。


Creo5.0不采用这种“硬删除”方法,而是采用“软删除”方式。单元硬度下降到接近口香糖水平。密度以类似的方式下降。单元仍然存在于原处,但已经不重要。


许多优化算法会进一步放松母材之间的严格分离,比如说钢材(相对密度 1.0)和口香糖(相对密度接近 0.0)。一个单元可以在这两个限制之间的范围内采用任何刚度和密度。但是,每个单元都被“鼓励”迁移到 1.0 或 0.0 的值,如果它的值夹在中间,则会受到严重的“惩罚”。


灰色阴影

在很多情况下,优化算法无法使所有单元达到极限值 1.0 或 0.0。有些单元最终会在两者之间产生一些值。那么,将单元中的相对材质属性设置为 0.8 会意味着什么?


在实际中并不代表任何意思,但对于优化算法来说,这代表了最有效的材料分布情况。用灰度表示材料分布时将会用白色 (1.0) 显示母材区域,用黑色 (0.0) 显示口香糖区域,而两者之间则是阴影。


如果优化算法在努力计算时,配置的大部分区域将变成灰色阴影。如果优化算法可以找到明确定义的负载路径,则分布将更加清晰,会向黑色或白色区域迁移。


那么我在介绍中描述的这些奇特的形状从哪里来的呢?它们不代表单元曲面,而是通过灰度轮廓拟合的曲面。表面的平滑度在很大程度上由底层 FEA 网格的精细程度以及母材的分布情况控制。


一切由您自己作主

拓扑优化有时被描述为狂野之旅!如果能提出非同寻常的解决方案那真是太棒了 - 我称之为脑洞大开。但是,工程师可以使用许多控件来实现更多可用的配置。


这些可用的配置包括制造约束,例如限制构件空间内构件的尺寸,规定构件必须是关于平面对称的、或可挤压的、或者可以从模具中拉出等等。通过选择体积率,您可以控制优化算法的激进程度。


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