Τοπολογική βελτιστοποίηση εξαρτημάτων βιομηχανικού μηχανισμού και μελέτη κατασκευασιμότητας

Abstract

Η ανάγκη της σύγχρονης κατασκευαστικής βιομηχανίας για σύντομους και αποδοτικούς κύκλους ανάπτυξης νέων προϊόντων, σε συνδυασμό με την απαίτηση για ελαχιστοποίηση της άσκοπης κατανάλωσης πόρων, έχουν οδηγήσει στην αξιοποίηση εξειδικευμένης μεθοδολογίας και τεχνολογικών εργαλείων. Παράλληλα ο αυξημένος ανταγωνισμός, ωθεί τους κατασκευαστές να επιτύχουν προϊόντα υψηλών επιδόσεων και αυξημένης δομικής απόδοσης. Έτσι αναπόφευκτα, το ενδιαφέρον της βιομηχανίας έχει στραφεί σε διαδικασίες βελτιστοποίησης των κατασκευών και ειδικότερα στο στάδιο του σχεδιασμού, πριν από οποιαδήποτε διαδικασία παραγωγής πρωτοτύπων. Στόχος των διαδικασιών βελτιστοποίησης, είναι η παραγωγή προϊόντων που θα έχουν την ελάχιστη δυνατή μάζα, τη μέγιστη δυνατή στιβαρότητα και θα αποτελούν εφικτές, λειτουργικές και ασφαλείς λύσεις. Μια από τις μεθόδους βελτιστοποίησης που εφαρμόζεται στις περισσότερες των περιπτώσεων και αναγνωρίζεται για την ποιότητα των αποτελεσμάτων της, είναι αυτή της τοπολογικής βελτιστοποίησης. Στην συγκεκριμένη εργασία, έγινε αρχικά μία περιγραφή των βασικών υπολογιστικών εργαλείων (CAD,CAE,CAM) που χρησιμοποιούνται σε κάθε μελέτη τοπολογικής βελτιστοποίησης και κατασκευής μηχανολογικών εξαρτημάτων. Στη συνέχεια αναλύθηκαν τα χαρακτηριστικά της τοπολογικής βελτιστοποίησης και πιο συγκεκριμένα της μεθόδου SIMP, που χρησιμοποιείται από τα περισσότερα εμπορικά λογισμικά. Για την εφαρμογή της μεθοδολογίας, αξιοποιήθηκαν δύο βασικά εξαρτήματα από τον ογκομετρικό μηχανισμό βιομηχανικής μηχανής πλήρωσης υγρών προϊόντων. Συγκεκριμένα, έγινε ο σχεδιασμός, η στατική ανάλυση και η βελτιστοποίηση των εμβόλων του μηχανισμού και του φορείου τους, με τη χρήση των λογισμικών SOLIDWORKS 2020 και SOLIDWORKS Simulation 2020 αντίστοιχα. Ακολούθως, έγινε η επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της τοπολογικής βελτιστοποίησης μέσω επόμενης στατικής ανάλυσης για τα δύο εξαρτήματα. Τέλος πραγματοποιήθηκε η μελέτη κατασκευασιμότητας των βελτιστοποιημένων εξαρτημάτων, αναλύθηκαν οι εναλλακτικές επιλογές και έγινε κατασκευή του βελτιστοποιημένου εμβόλου με προσθετική μέθοδο FDM.