Software: FEM - Tutorial - Topologie-Optimierung - Level Set based in Ansys
Verfahrensprinzip
Die "Level Set Based" - Optimierungsmethode ist das neuere der beiden in Ansys Mechanical verfügbaren Topologieoptmierungsverfahren. Dem Namen nach basiert es auf der Level-Set-Methode, die eine allgemeine Grundlage zur numerischen Berechnung der Bewegung von Oberflächen und geometrischen Formen darstellt. Im Gegensatz zum rein Dichte basierten Ansatz ist dieser Ansatz in der Lage die Grenzflächen der erzeugten Form gesondert zu betrachten. Die erzeugten Geometrien sind dadurch auch ohne zusätzliche Nacharbeit glatter. Meist wird dadurch eine gleichmäßigere Spannungsverteilung und somit ein festeres Bauteil erreicht.
In den meisten Fällen wird diese Methode mehr Iterationen als das Dichte-basierte Verfahren benötigen.
Topologieoptimierung - Level Set
- Um die bisherigen Ergebnisse nicht zu verlieren, duplizieren wir die Strukturoptimierung innerhalb der Mechanical-Oberfläche. Die beiden Analysen kann man zur Unterscheidung anschließend noch benennen (z.B. mit dem Suffix "Dichte" und "Level").
- Den Optimierungstyp der neuen Analyse ändern wir zu Topologieoptimierung - Level Set.
- Um nach der Lösung direkt weitere Ergebnisse einsehen zu können, stellen wir außerdem die Analyseeinstellungen > Ausgabesteuerung > Design-Ergebnisse exportieren auf Am endgültigen Design.
- Da die Masse mit dieser Methode korrekt behandelt wird, muss der Zielwert wieder auf 67% gesetzt werden.
- Nun kann man die Lösung starten, die wie oben erwähnt etwas mehr Zeit in Anspruch nehmen wird. Hier lohnt es sich eine kurze Pause zu machen und den Rechner in Ruhe zu lassen.
- Der Lösungsfortschritt lässt sich wieder am Konvergenzgraph und im Topologiedichte-Tracker grafisch beobachten.
- Hinweis: Wenn der Lösungsprozess abbricht oder sich der Solver einer Lösung im Konvergenzplot nicht langsam annähert, sondern plötzlich durch Zufall in den zulässigen Bereich springt, liegt meist kein gültiges Ergebnis vor. Man erkennt einen solchen Fehler daran, dass die Ergebnisgeometrie sehr zerklüftet aussieht und nur numerisch das Optimierungsziel erreicht. Ein solches Ergebnis muss man verwerfen und mit leicht abgeänderter Zielmasse neu starten, bis man ein sinnvolles Ergebnis erhält.
- Nach gut 30 Iterationen sollte eine Lösung gefunden werden:
Im Vergleich zur ersten Studie hat sich der Simulationsaufwand deutlich erhöht. Dafür sieht das Ergebnis auf den ersten Blick auch etwas besser aus, was wir nachfolgend überprüfen wollen:
- Wir fügen der Lösung C6 die Gesamtverformung und die Vergleichsspannung hinzu.
- Nach Abrufen der Ergebnisse erhält man die Simulationsergebnisse, ohne zuerst die Geometrie exportieren zu müssen.
- Achtung: Die Ergebnisse nur abrufen! Eine erneute Simulation ist nicht notwendig und dauert sehr lange.
- Die Gesamtverformung ist etwas größer als zuvor, weist sonst aber nahezu identische Eigenschaften auf:
- Die Vergleichsspannung zeigt, dass jetzt auch im optimierten Bereich etwas höhere Spannungen auftreten.
- Trotzdem bleibt die Spannungsverteilung recht homogen:
- Der Tasthebel besitzt bei der betrachteten Belastung eigentlich eine "neutrale Faser". Während diese in der zugrundeliegenden strukturellen Analyse auch sichtbar sein sollte, ist im optimierten Bauteil nur noch eine leichte Andeutung zu erkennen.
- Ein feineres Netz am Hebel würde das Problem vermutlich beheben.
Fragen 5
a) Welche Masse muss man in der Antwortbeschränkung vorgeben, um ein sinnvolles Optimierungsergebnis zu erhalten?
b) Durch die Gewichtsreduktion ist das Bauteil minimal "weicher" geworden. Um wie viel Prozent hat sich die maximale Verschiebung gegenüber der Ausgangsgeometrie geändert?
c) Sind die berechneten Spannungswerte der optimierten Lösung vertrauenswürdig? Begründen Sie.
