Zusammenfassung - Ein innovatives mehrschichtiges Topologiefunktionsoptimierungsverfahren zur Ausgewogenheit von Strukturleistung und Fertigungsfähigkeit

Ein innovatives mehrschichtiges Topologiefunktionsoptimierungsverfahren zur Ausgewogenheit von Strukturleistung und Fertigungsfähigkeit

2025-07-25 15:42:55

{"Gabriel Stankiewicz","Chaitanya Dev","Paul Steinmann"}

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Dieser Artikel stellt eine neue Methode der Topologieoptimierung mit mehrfacher Dicke vor, die darauf abzielt, die Lücke zwischen Strukturleistung und Fertigungsfähigkeit zu überbrücken. Traditionelle Topologieoptimierungsmethoden, wie die Methode des homogenen Material mit Strafungsbehandlung (SIMP), erzeugen oft komplexe Designs, die schwer zu fertigen sind. Andererseits können unbestrafte (variablen Dicke) Methoden überlegene Designs erzeugen, sind jedoch aufgrund der Anwesenheit dünner, kippgefährdeter Merkmale ebenfalls schwer zu fertigen. Die vorgeschlagene mehrfache Dickenmethode verwendet ein neues mehrstufiges Strafungs scheme und eine mehrstufige glatte Heaviside-Projektion, um das Design in Richtung einer vorgegebenen Menge diskreter, zulässiger Dicken zu leiten. Dieses Verfahren ermöglicht die Erstellung hochleistungsfähiger, fertigungsfähiger Strukturen mit einer breiten Palette von Anwendungen. Hauptmerkmale der vorgeschlagenen Methode sind: * **Mehrstufige Strafungs**: Diese Technik bestraft mittlere Dichten und leitet die Optimierung in Richtung Designs, die aus diskreten, physikalisch bedeutsamen Blattschichten bestehen. Dies beseitigt die Anwesenheit dünner, kippgefährdeter Merkmale und verbessert die Fertigungsfähigkeit der resulting Strukturen. * **Mehrstufige glatte Heaviside-Projektion**: Diese Technik schärft die Übergänge zwischen verschiedenen Dickenstufen, was zu Designs mit klaren, scharfen Grenzen führt. Dies verbessert die geometrische Qualität der Strukturen und verbessert ihre Fertigungsfähigkeit weiter. * **Fortsetzungsstrategie**: Diese Strategie erhöht schrittweise die Strafungs- und Projektionsparameter, um robuste Konvergenz und hochauflösende geometrische Merkmale zu gewährleisten. * **Anpassung der Gitterverfeinerung**: Diese Technik verbessert die geometrische Auflösung der Strukturen, während die Berechnungskosten verringert werden. Die vorgeschlagene Methode wurde auf Standard-Hebel und MBB-Balken-Benchmarks validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Designs mit zunehmender Anzahl zulässiger Dicken systematisch von konventionellen Trägerstruktur-artigen Strukturen zu hochleistungsfähigen, Blatt-artigen Strukturen wandeln. Bedeutend ist, dass Designs mit so wenigen wie drei diskreten Dickenstufen Compliance-Werte erreichen, die innerhalb von 2% jener von voll unbestraften, variablen Dicken-Optimierungen liegen, während sie die Standard-SIMP-Ergebnisse erheblich übertreffen. Die mehrfache Dickenmethode bietet mehrere Vorteile gegenüber bestehenden Topologieoptimierungsmethoden: * **Verbesserte Fertigungsfähigkeit**: Durch die Beseitigung dünner, kippgefährdeter Merkmale und die Möglichkeit, Materialien mit Standarddicke zu verwenden, erzeugt die vorgeschlagene Methode Designs, die einfacher und kostengünstiger zu fertigen sind. * **Erhöhte Leistung**: Die Fähigkeit, ein breiteres Spektrum an Designvariablen zu erkunden, ermöglicht die Erstellung hochleistungsfähiger Strukturen. * **Größere Designflexibilität**: Die Methode bietet Designern eine größere Kontrolle über den Kompromiss zwischen Leistung und Fertigungsfähigkeit. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorgeschlagene mehrfache Dicken-Topologieoptimierungsmethode ein leistungsfähiges Werkzeug für die Gestaltung hochleistungsfähiger, fertigungsfähiger Strukturen ist. Ihre Fähigkeit, die Lücke zwischen Strukturleistung und Fertigungsfähigkeit zu überbrücken, macht sie zu einem wertvollen Werkzeug für eine breite Palette von Anwendungen, einschließlich Luft- und Raumfahrt, Automobil- und Bio-medizinischen Ingenieurwesen.