Topology optimization: จากแนวรับแรงสู่ชิ้นงานที่เบาลง

Topology optimization ทำอะไร

เรากำหนดพื้นที่ออกแบบ แรงและจุดรองรับ และเป้าหมายให้ solver เช่น โครงสร้างที่แข็งที่สุดโดยใช้วัสดุไม่เกินสัดส่วนที่กำหนด solver จะเอาเนื้อวัสดุออกจากส่วนที่รับแรงน้อย ผลที่ได้คือแนวรับแรง (load path) ซึ่งบอกว่าตรงไหนต้องมีเนื้อวัสดุ เป็นจุดเริ่มต้นของการออกแบบ ไม่ใช่ชิ้นงานสำเร็จ

ข้อมูลที่ใส่เป็นตัวกำหนดผล

• Design space และ non-design space ทำพื้นที่ออกแบบให้ใหญ่ที่สุดเท่าที่พื้นที่ติดตั้งอนุญาต และกำหนดผิวยึด bolt ที่นั่งแบริ่ง และผิวประกอบเป็น non-design
• ครบทุก load case ชิ้นงานที่ optimize จาก load case เดียวจะอ่อนใน load case อื่น ใส่ทุกกรณีที่เกี่ยวข้อง เช่น เบรก เลี้ยว กระแทก หรือยก
• เงื่อนไขบังคับ เป้าหมายมวลหรือปริมาตร ขีดจำกัดการเสียรูป และความถี่ธรรมชาติต่ำสุด ล้วนเปลี่ยนรูปทรงที่ได้
• เงื่อนไขการผลิต ทิศถอดแม่พิมพ์สำหรับงานหล่อหรือฉีด ทิศอัดรีด ความสมมาตร และขนาดชิ้นส่วนเล็กสุด ช่วยให้ผลลัพธ์ผลิตได้จริง

จากแนวรับแรงสู่ชิ้นงาน

นำผลดิบมาตีความเป็นรูปทรง CAD ที่เหมาะกับกระบวนการผลิต จากนั้นใช้ size และ shape optimization กำหนดความหนาและขนาดสุดท้าย แล้ววิเคราะห์เต็มรูปแบบเพื่อตรวจความเค้น ความแข็งแรง และ fatigue ของแบบสุดท้าย

Skidmore, Owings & Merrill ใช้ลำดับนี้กับอาคารศาลในลอสแอนเจลิส topology optimization ใน OptiStruct ให้แนวรับแรง แล้ว beam optimization เลือกหน้าตัดเหล็ก ผลคือใช้เหล็กน้อยลง 10% ดู กรณีศึกษา SOM

เครื่องมือใน HyperWorks

• OptiStruct สำหรับ topology, topography, size, shape และ free-size optimization พร้อมการวิเคราะห์โครงสร้างใน solver เดียวกัน
• Inspire สำหรับนักออกแบบที่ต้องการ generative design และ topology optimization ตั้งแต่ช่วงแรก ด้วยหน้าจอที่ใช้ง่ายกว่า
• HyperStudy สำหรับ design of experiments และ optimization ข้าม solver และพารามิเตอร์

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

• ลืมใส่ load case ที่ภายหลังกลายเป็นตัวกำหนดแบบ
• พื้นที่ออกแบบเล็กเกินไป solver จึงไม่มีพื้นที่หาแนวรับแรงที่ดีกว่า
• ไม่คิดเรื่องการผลิตจนได้ผลแล้ว และเสียประโยชน์ส่วนใหญ่ไปตอนวาดใหม่
• ใช้ผลดิบเป็นรูปทรงสุดท้ายโดยไม่วิเคราะห์ตรวจสอบ

แหล่งข้อมูล

• Skidmore, Owings & Merrill case study (Siemens)
• Simcenter OptiStruct (Siemens)

เกี่ยวข้อง