Introduzione all’Ottimizzazione Topologica
Generare forme innovative per il prodotto.

Descrizione Webinar

L’ottimizzazione topologica è una tecnica numerica che permette di sintetizzare la forma di un componente meccanico partendo da un volume assegnato. Attraverso questo metodo è possibile ottenere forme innovative dei componenti, che garantiscono le prestazioni desiderate in termini di rigidezza statica e frequenze di risonanza, ma con il minor peso possibile e rispettando vincoli di producibilità.

In questo seminario illustreremo i principi dell’ottimizzazione topologica attraverso una serie di esempi pratici risolti con il software FEMtools Optimization.

Benvenuto

Buon pomeriggio a tutti e benvenuti al webinar «Introduzione all’Ottimizzazione Topologica»
Io sono Francesco Palloni, fondatore di SmartCAE ed esperto di simulazione assistita dal calcolatore.
Per chi ancora non mi conosce, sono un ingegnere meccanico e utilizzo software di simulazione da circa una quindicina d’anni, nei quali ho avuto modo di utilizzare questa tecnologia per analisi strutturali, dinamiche, termiche e fluidodinamiche.
Per chi ancora non conosce SmartCAE, siamo una società che si occupa di simulazioni al calcolatore sia come rivenditore di software che come fornitore di servizi di consulenza e formazione.
Il webinar di oggi affronta un tema molto particolare: quello dell’ottimizzazione topologica, uno strumento che permette, con parole semplici, di scavare da pieno un volume di progetto al fine di ottenere un componente più leggero e performante.
Come nel nostro stile, il seminario sarà prevalentemente di tipo pratico, dando spazio alle applicazioni dal vivo. Per questo motivo utilizzeremo un particolare software per le dimostrazioni: in questo caso si tratta di FEMtools Optimization sviluppato da Dynamic Design Solutions.

Agenda

L’agenda di questo webinar è molto semplice.

Introduciamo brevemente il tema dell’Ottimizzazione Topologica e di quali vantaggi può portare nello sviluppo del prodotto.

Procediamo poi alla parte più interessante, ossia la dimostrazione dal vivo di alcuni casi di studio, facendo vedere alcune funzioni offerte da FEMtools Optimization per eseguire lo studio della topologia del prodotto.

Infine avremo una sessione di domande e risposte in cui cercherò di rispondere alle domande che mi farete.
Per porre le domande è sufficiente che utilizziate l’area della «chat» dell’interfaccia di GoToWebinar (quella in basso a destra).
Potete farlo in qualsiasi momento, vi risponderò al termine della presentazione.

Obiettivi e Sfide

Se avete già visto il filmato on-line con l’anteprima del webinar mi immagino che vi siate già fatti un’idea delle possibilità che offre l’Ottimizzazione Topologica.

Quando si affronta lo sviluppo di un progetto, al progettista può far comodo avere a disposizione uno strumento in grado di sfrondare e tutte le possibili OPZIONI strutturali che sono disponibili in uno spazio di progetto definito.
Un altro obiettivo perseguito dal progettista è quello dell’INNOVAZIONE, riuscire a inserire nel prodotto qualcosa di diverso che permetta non solo di ottenere il corretto funzionamento ma anche di garantire in vantaggio competitivo nei confronti della concorrenza.
Altro aspetto fondamentale sono le PRESTAZIONI: il mercato prodotti sempre più performanti ma sempre più leggeri, con ingombri minori, ergonomici… Questo richiede la sintesi di nuove forme con una migliore distribuzione del materiale.

Per contro, nel mondo reale dobbiamo confrontarci anche con una serie di aspetti pratici e di vincoli.
Per prima cosa non abbiamo a disposizione tutto lo spazio che desideriamo per sviluppare il prodotto: dobbiamo gestire al meglio gli INGOMBRI e le interfacce con il resto del mondo.
Abbiamo dei vincoli tecnologici che ci condizionano nelle scelte: alla fine questo prodotto dobbiamo comunque realizzarlo con le TECNOLOGIE che abbiamo a disposizione.
Ultimo vincolo da rispettare è il COSTO: il prodotto deve essere bello, innovativo, deve funzionare meglio della concorrenza, e deve anche avere un costo adeguato per garantire i margini di profitto all’azienda.

L’Ottimizzazione Topologica, se utilizzata con intelligenza, può venire incontro a tutte queste esigenze.

Dimostrazione dal vivo

Per l’esercitazione di oggi abbiamo selezionato alcuni modelli, che permettono di mettere in risalto le principali funzioni di FEMtools Optimization per l’Ottimizzazione Topologica

Il primo caso è un modello banale con elementi di tipo 2D, che schematizza una traversa. Siccome è un modello che gira in pochi secondi, lo utilizzeremo per spiegare i concetti base della Topologica, facendo vedere alcune variazioni sul tema: cosa succede spostando il punto di applicazione del carico, come cambia la forma della struttura applicando un vincolo di simmetria e così via.

Il secondo caso, rappresenta l’applicazione della Topologica su uno spazio di progetto nel quale il disegnatore ha già preso delle decisioni sul tipo di materiale e tecnologia da utilizzare (lamiera di acciaio tagliata e piegata), ma desidera togliere del materiale a causa di vincoli di peso del prodotto. Il punto di partenza sarà un modello a elementi finiti già esistente, creato con un preprocessore FEM – nel nostro caso FEMAP.

Il terzo caso, invece, ci porterà via più tempo e ci permetterà di vedere un flusso di lavoro completo dal CAD dello spazio di progetto alla geometria ottimizzata. In questo caso sfrutteremo NX CAE come modellatore geometrico e preprocessore FEM, ma in realtà qualsiasi ambiente.

Se tutto va liscio, dovremmo riuscire a rimanere nella mezz’ora di seminario concordata.

Domande e Risposte

Adesso che abbiamo completato l’esercitazione pratica, passiamo alla sessione di domande e risposte.
Vi ricordo che potete utilizzare la console di GoToWebinar per sottopormi i vostri quesiti.

Le domande stanno già arrivando… Datemi un po’ di tempo per leggerle perché sono davvero tante!! Vuol dire che questo argomento ha stimolato la vostra curiosità! Questo mi fa molto piacere… Dunque, andiamo un po’ con ordine.

La prima domanda riguarda i target della topologica. Si chiede se sia possibile assegnare un target sullo stress massimo. La risposta è no: la topologica non permette di eseguire verifiche sullo stato di sollecitazione, ma soltanto di identificare il percorso migliore per i carichi all’interno della struttura per ridurre il peso. Una volta interpretato il layout che deve avere il prodotto, è possibile effettuare un altro tipo di ottimizzazione geometrica, utilizzando uno dei seguenti approcci: collegare il modello FEM al modello CAD parametrico per ottimizzare le dimensioni dei membri al fine di rispettare un target di stress. Questo è l’approccio utilizzato, ad esempio da NX CAE. Il secondo approccio è quello basato sulle tecniche di mesh morphing, ovvero parametrizzare la forma mesh senza necessariamente avere un CAD di appoggio. Questo è l’approccio utilizzato da DEP MeshWorks. Per entrambi gli approcci abbiamo sul sito la registrazione di un webinar che ne spiega il funzionamento. Se pensate che questo argomento sia di interesse: l’ottimizzazione geometrica del prodotto, lasciateci un appunto sul questionario finale, in maniera da mettere a calendario una nuova sessione che entri più nel dettaglio.

Altra domanda, molto particolare: Se lo spazio di progetto di partenza è molto ampio, e vogliamo ridurre all’osso la struttura, è sempre possibile applicare la topologica? In linea di principio sì, quello che probabilmente conviene fare è approcciare il problema per step incrementali. Provo a spiegarmi. Prima si prende il volume di progetto completo e si fa una topologica per rimuovere il 50%-60% del materiale, si fa una sgrossatura. Come risultato otterremo una indicazione dell’andamento delle linee di forza principali. Successivamente ricostruiamo un nuovo spazio di progetto utilizzando l’output della topologica come punto di partenza, magari eliminando e semplificando quelle strutture che sono difficilmente realizzabili nella pratica, ridefinendo le zone attive e passive. Su questo secondo spazio di progetto ripetiamo la topologica fino al raggiungimento del target di peso desiderato.

Altra domanda: Posso utilizzare l’ottimizzazione topologica con geometrie CAD (es. SolidWorks)? La risposta è si, ma con varie sfumature. Come avete visto l’Ottimizzazione Topologica è basata essenzialmente su modelli ad Elementi Finiti, pertanto è indispensabile realizzare la mesh del componente. Se lei ha a disposizione anche il modulo di analisi SolidWorks Simulation, dovrebbe essere possibile esportare il modello in uno dei formati supportati (ad esempio Nastran) e ripetere esattamente il flusso di lavoro che abbiamo mostrato. Se lei non ha a disposizione SolidWorks Simulation né alcun preprocessore FEM, allora è più complicato. FEMtools Optimization offre dei comandi molto basilari per creare semplici volumi di progetto prismatici o cilindrici, pertanto dovrebbe adattarsi a utilizzare questa modalità.

Altra domanda: E’ indispensabile utilizzare un preprocessore FEM? Questa domanda si attacca bene alla precedente. La risposta è No, non è indispensabile ma è altamente consigliato per gestire geometrie complesse.

Altra domanda: Conviene utilizzare mesh a cubi o tetra? In linea di principio tutti i tipi di elemento vanno bene. Nella pratica, però, una mesh a esaedri con una densità regolare tende a produrre risultati migliori. Si riesce a compensare questa differenza con un modello a Tetraedri abbastanza fitto e con mesh regolare, ma si aumentano i tempi di calcolo. Tenete presente che la Topologica è comunque una tecnica per identificare il percorso dei carichi, ma che non fornisce di per sé indicazioni sul dimensionamento locale.

Altra domanda: E’ meglio utilizzare Tetra Lineari o Parabolici? Il programma funziona con entrambi i tipi di elemento. Siccome però la funzione di densità relativa è un attributo del singolo elemento, la mesh parabolica non fa altro che aumentare i gradi di libertà dell’analisi statica senza praticamente aggiungere informazioni in più per l’ottimizzazione topologica. Pertanto conviene utilizzare elementi lineari. Se avete già pronto un modello con elementi parabolici, dentro FEMtools è presente un comando per trasformare gli elementi da Parabolici a Lineari, eliminando i nodi di metà spigolo. Quindi non è necessario realizzare un modello apposta per la topologica ma partire utilizzando i vostri modelli di produzione già fatti.

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