Resumen - Un método novedoso de optimización de topologías de múltiples espesores para equilibrar el rendimiento estructural y la fabricabilidad

Un método novedoso de optimización de topologías de múltiples espesores para equilibrar el rendimiento estructural y la fabricabilidad

2025-07-25 15:42:55

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

{cs.CE}

Este documento introduce un nuevo método de optimización de topología de múltiples espesores que tiene como objetivo bridar la brecha entre el rendimiento estructural y la fabricabilidad. Los métodos de optimización de topología tradicionales, como el método de Material Isótropo Sólido con Penalización (SIMP), a menudo generan diseños complejos que son difíciles de fabricar. Por otro lado, los métodos sin penalización (de espesores variables) pueden producir diseños superiores, pero también son desafiantes de fabricar debido a la presencia de características finas y propensas a colapso. El método de múltiples espesores propuesto utiliza un esquema de penalización multinivel y una proyección de Heaviside suavizada multinivel para guiar el diseño hacia un conjunto predefinido de espesores discretos y permitidos. Este enfoque permite generar estructuras de alto rendimiento y fabricables con una amplia gama de aplicaciones. Las características clave del método propuesto incluyen: * ** Penalización multinivel**: Esta técnica penaliza densidades intermedias y guía la optimización hacia diseños compuestos de espesores discretos y físicamente significativos. Esto elimina la presencia de características finas y propensas a colapso y mejora la fabricabilidad de las estructuras resultantes. * ** Proyección de Heaviside suavizada multinivel**: Esta técnica afina las transiciones entre diferentes niveles de espesor, resultando en diseños con bordes claros y nítidos. Esto mejora la calidad geométrica de las estructuras y mejora aún más su fabricabilidad. * ** Estrategia de continuación**: Esta estrategia aumenta gradualmente los parámetros de penalización y proyección, asegurando una convergencia robusta y características geométricas de alta resolución. * ** Refinamiento de malla adaptativo**: Esta técnica mejora la resolución geométrica de las estructuras mientras reduce el costo computacional. El método propuesto se validó en los benchmarks estándar de vigas colgantes y de vigas MBB. Los resultados demuestran que a medida que aumenta el número de espesores permitidos, los diseños pasan sistemáticamente de estructuras tr梭s convencionales a estructuras de alta performance con forma de hoja. Notablemente, los diseños con tan solo tres niveles de espesores discretos alcanzan valores de conformidad dentro del 2% de los obtenidos en la optimización de espesores variables sin penalización, superando significativamente los resultados estándar de SIMP. El método de múltiples espesores ofrece varias ventajas sobre los métodos de optimización de topología existentes: * ** Mejorada fabricabilidad**: Al eliminar características finas y propensas a colapso y permitir el uso de materiales de espesor estándar, el método propuesto produce diseños que son más fáciles y menos costosos de fabricar. * ** Mayor rendimiento**: La capacidad de explorar una gama más amplia de variables de diseño permite la generación de estructuras de alto rendimiento. * ** Mayor flexibilidad de diseño**: El método proporciona a los diseñadores un mayor control sobre el compromiso entre rendimiento y fabricabilidad. En conclusión, el método de optimización de topología de múltiples espesores propuesto es una herramienta poderosa para diseñar estructuras de alto rendimiento y fabricables. Su capacidad para bridar la brecha entre el rendimiento estructural y la fabricabilidad lo convierte en una herramienta valiosa para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo la ingeniería aeroespacial, automotriz y biomédica.