توصيفگر ها :
ساخت افزودني , بهينهسازي توپولوژي , روش بهينهسازي تكاملي دوسويه (بسو) , روش جريمه‌سازي ماده همسانگرد جامد (سيمپ) , روش كنترلي , روش تعيين تراز , طراحي براي ساخت افزودني (DfAM)
چكيده فارسي :
ساخت افزودني داراي توانمندي‌هاي فراواني نسبت به ساير روش‌هاي توليد است به شرط آن‌كه بتوان از ويژگي‌هاي منحصربفرد اين حوزه بهره برد. از جمله مباحث مهم در اين موضوع بخش طراحي است. طراحي براي ساخت افزودني (DfAM) به اين معنا است كه چگونه يك قطعه (باز) طراحي گردد تا بتوان مزايا و محدوديت‌هاي روش‌هاي ساخت افزودني را در آن اعمال نمود. به دليل آزادي بيشتري كه اين روش توليد در طراحي قطعه دارد، عملا امكان ساخت هندسه‌هاي پيچيده و نا‌منظم فراهم شده است.
بهينهسازي توپولوژي يك روش پيشرفته طراحي سازه است كه مي‌تواند پيكربندي سازه بهينه را از طريق توزيع معقول ماده با شرايط بار و قيدهاي مشخص شده به‌دست آورد. بهينهسازي توپولوژي به عنوان يك روش طراحي سازه با راندمان بالا به منظور سبكسازي وزن و همچنين ايجاد سازه‌هاي چند منظوره توسعه يافته است و به طور گسترده درصنايعي همچون هوافضا، خودرو، معماري و پزشكي استفاده مي‌شود. عموم قطعات به‌دست آمده از اين روش داراي پيچيدگي‌هاي هندسي فراواني هستند و تنها با روش‌هاي ساخت افزودني قابل توليد هستند. در اين پاياننامه هدف مطالعه، بررسي و مقايسه روش‌هاي در دسترس و كاراتر بهينهسازي توپولوژي براي استفاده در قطعات صنعتي و دريافت محدوديت و مزاياي هر روش و مقايسه پارامترهاي موثر در يك روش بهينه سازي توپولوژي است. در قدم اول نمونه‌اي بالك تحت فشار توسط چهار رويكرد بهينه سازي توپولوژي به روش جريمه‌سازي ماده همسانگرد جامد (سيمپ)، تكاملي دوسويه (بسو)، تعيين تراز و كنترلي سبك سازي مي¬گردد. در بخش شبيه‌سازي، پارامترهايي همچون بيشينه تنش و جابه‌جايي، تنش تسليم، وزن نهايي، نسبت تنش تسليم به وزن، دقت همگرايي و هزينه زماني بهينه سازي هر روش ارزيابي مي¬گردد. سپس از هر روش نمونه‌اي به كمك دستگاه FDM با ماده PLA پرينت مي‌شود و تحت آزمون تجربي فشار قرار مي‌گيرد و در نهايت نتايج بدست آمده در بخش تجربي با بخش شبيه سازي مقايسه مي‌شود. نتايج نشان‌دهنده اين موضوع بود كه روش بسو بيشينه تنش و جابه‌جايي را تحمل مي‌كند و كمترين خطاي حجم را با توجه به قيد منظور شده دارد. تمامي روش‌ها در نمونه ساخته شده به وزن نهايي حدودي 5/3 تا 4 گرم دست يافتند كه حدودا با مقدار پيش‌بيني شده 20 درصد خطا داشت.
در بخش بعد، به سه روش رايج‌تر و كاراتر در بهينه سازي توپولوژي قطعات صنعتي، گيره در دستگاهي صنعتي تا حدود 60 درصد سبكسازي و مواردي همچون بيشينه تنش و جابه‌جايي ايجاد شده، وزن كاهش¬يافته و هزينه محاسباتي هر روش مطالعه مي‌شود. در نهايت ثابت مي‌گردد كه با توجه به پارامترهاي مورد مطالعه، روش بسو براي هندسه‌هاي ساده و روش تعيين تراز براي هندسه‌هاي پيچيده‌تر، به مقادير استحكام به وزن بالاتري دست مي‌يابد. براي هندسه پيچيده مربوط به قطعه صنعتي، روش سيمپ به كاهش وزن قابل قبولي در كنار كمترين تمركز تنش دست يافت. روش‌هاي كنترلي نيز در صورت نياز به حل مسائل پيچيده در زمان نسبي كوتاه‌تر، انتخاب هوشمندانه‌اي خواهند بود.
در واقعيت به دليل لايه لايه بودن قطعات ساخته شده به روش‌هاي ساخت افزودني، نمونه‌ها داراي مقادير استحكام كمتري از مقادير شبيه‌سازي شده مي‌باشند. به عبارت ديگر عمليات بهينه سازي با فرض يكنواخت و توپر بودن سازه به سبكسازي آن مي‌پردازد. در بخش سوم اين پژوهش، يك كد بهينه سازي توپولوژي به روش بسو ارائه شده است كه مبناي حل آن بهينه سازي بر مبناي استحكام با توجه به قيد حجم است. در اين كد، استحكام غيريكنواخت به وجود آمده در جهت محور ساخت در بهينه سازي در نظر گرفته مي‌شود. به دليل نوين بودن اين روش با فرضيات منظور شده، در ابتدا معادله حساسيت تابع بهينه سازي محاسبه شده و صحت آن با در نظرگيري خواص استحكامي يكسان با مراجع اعتبارسنجي شده است. سپس تير يك سر گيردار به كمك اين روش بهينه سازي گرديده و نتايج آن با روش كمينه سازي تنش فون ميزز مقايسه گرديده است.
چكيده انگليسي :
Additive manufacturing has many capabilities compared to other production methods, benefiting from several unique features of the field. One of the most important areas in this field is “Design”. Design for Additive Manufacturing (DfAM) is defined as the specific approach for designing a part while considering the potential and limitations of additive manufacturing methods. The greater flexibility of AM methods in the design allows for manufacturing complex and irregular geometries. In recent years, topology optimization has been used as an innovative approach to design lightweight and high-performance components. This technique has wide applications in the aerospace, automobile, architecture, and medical industries. In the last decades, a variety of topology optimization methods have been developed in different softwares and codes, which typically consider isotropic properties in the process of optimization. This research is implemented in three steps.
The aim of the first two steps, is to examine and compare the available and more popular methods of topology optimization for industrial parts and to compare the effective parameters of a topology optimization method.
Firstly, the volume of a bulk part under pressure is reduced by a topology optimization method, including SIMP, BESO, Level-Set and Control-Based topology optimization. Then, the involved parameters, such as the maximum stress and displacement, yield stress, the strength to weight ratio, safety factor, error of convergence, the final weight, and the computational cost of each method are assessed by numerical simulation using ABAQUS software. Afterwards, the results of topology-optimized cube from each method is produced by FDM 3D printer with PLA material, subsequently undergoing an experimental compression test. Finally, the results obtained in the experimental tests are compared with the simulation results to validate results of simulation. It is noteworthy that all the methods achieved a weight of about 3.5 to 4 gr, which had an error of about 20% with the predicted values in the simulation.
Secondly, an industrial part is redesigned for topology optimization. The volume of this part is reduced by 60% by three different methods of SIMP, Control-Based, and Stress-Constrained Optimization (SCO), followed by studying several parameters including maximum stress, reduced weight, maximum displacement, and computational cost of each method. It could be concluded that according to the studied parameters, the Beso method and the Level-Set method, provide higher stress-to-weight values (14.30 and 12.56 in simulation respectively). It is depicted in this study that the control-Based methods will also be the effective choice to solve complex geometries in a relatively shorter time.
As mentioned before, topology optimization methods solve the problem by assuming isotropic properties for the material used in the geometry. In the third part of this research, a BESO topology optimization code is developed in python and ABAQUS software, which considers anisotropic strength in the build direction in its solution with volume constraint by Tsai- Wu criterion.
Because of the novelty of this method, at first, the sensitivity equation of this optimization problem is calculated and then validated by other references considering the isotropic strength properties. Then, a cantilever beam is optimized with the help of this method, and its results are compared with the von-Mises stress minimization method.
