COMSOL Multiphysics^® 6.1 Release Highlights

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Optimization Module Updates

Für Nutzer des Optimization Module bietet COMSOL Multiphysics^® Version 6.1 Fräsbeschränkungen für die Topologie-Optimierung, verbesserte Unterstützung für die Erhaltung der Kontinuität von Kurven und Flächen für die Form-Optimierung und eine neue Funktion für die Form-Optimierung für Eigenfrequenzen von Schalenelementen. Lesen Sie unten mehr über diese Features.

Herstellungsbeschränkungen für die Topologie-Optimierung

Topologie-Optimierung ist mit extremer Designfreiheit verbunden. Dies kann zu extremer Leistung führen, aber auch zu Bauteilen mit komplexer Geometrie, die in konventionellen Herstellungsverfahren nur schwer realisierbar sind. Die bestehende Funktion Density Model enthält jetzt eine Funktionalität für Fräsbeschränkungen, um die Kompatibilität mit konventionellen Herstellungsverfahren zu gewährleisten. Sie können diese Funktion in dem neuen Modell Topology Optimization of a Beam with Milling Constraints und mehreren aktualisierten Strukturmechanik-Modellen sehen.

Ein optimiertes Felgen-Modell mit zehn Sektoren.

Die Topologie-Optimierung einer Felge wird in dem neuen Tutorial-Modell "Wheel Rim — Topology Optimization with Milling Constraints" gezeigt. Die gesamte Felge wird modelliert, wobei für die Form-Optimierung eine Sektorsymmetrie vorgegeben wird. Die Felge wird hinsichtlich der Steifigkeit für 12 Lastfälle optimiert, wobei die Optimierung Fräsbeschränkungen in den axialen Richtungen enthält (links). Das entsprechende Ergebnis ohne Fräsbeschränkungen ist als Referenz dargestellt (rechts).

Kontinuität für die Form-Optimierung

Bei der Form-Optimierung ist die Erhaltung der Kontinuität des Normalenvektors eine Möglichkeit, im optimierten Geometriemodell glatte Kurven und Oberflächen zu erhalten. Die Funktionen Free Shape Boundary und Free Shape Shell wurden um Unterstützung für die Erhaltung der Kontinuität des Normalenvektors über Symmetry und Roller Ränder sowie zwischen der Auswahl verschiedener Free Shape Boundary und Free Shape Shell Funktionen erweitert. In ähnlicher Weise wurden die 2D-Versionen der Features Polynomial Boundary und Polynomial Shell erweitert, um die Kontinuität des Normalenvektors über Symmetry und Roller Ränder sowie zwischen Elementen in der Auswahl und neben Fixpunkten zu erhalten. Das Modell Design Optimization of a Beam wurde aktualisiert, um diese neue Funktionalität zu nutzen.

Darüber hinaus enthält die Funktion Control Function jetzt die Option Piecewise Bernstein polynomial. Bei diesem Steuerungstyp ist die Steigung zwischen den Polynomen kontinuierlich. Dies ist nützlich, um die Designfreiheit zu erhöhen, ohne das hochfrequente Rauschen zu verursachen, das typischerweise mit Polynomen höherer Ordnung verbunden ist.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche, die den Model Builder mit hervorgehobenem Free Shape Boundary Knoten, den entsprechenden Einstellungen, einem Ermüdungsmodell im Grafikfenster, und dem Objective Probe Table zeigt.

Das neue Tutorial-Modell "Wheel Rim — Stress Optimization with Fatigue Evaluation" demonstriert die Form-Optimierung eines Rads im Hinblick auf eine Annäherung an die maximale Spannung. Das gesamte Rad wird modelliert, wobei für die Form-Optimierung eine Sektorsymmetrie vorgegeben ist. Außerdem wird für den Sektor, der für die Spannungsbewertung verwendet wird, ein feineres Netz genutzt, und die Einstellungen für die Funktion Free Shape Boundary stellen die Kontinuität des Normalenvektors zwischen den Sektoren sicher. Die Optimierung berücksichtigt 6 Lastfälle und optimiert für den ungünstigsten Fall, wobei die Steifigkeit und die Masse auf die Anfangswerte beschränkt werden. Es handelt sich um einen heuristischen Ansatz zur Optimierung der Ermüdung, so dass die Ermüdungseigenschaften vor und nach der Optimierung bewertet werden.

Gradientenbasierte Optimierung der Eigenfrequenzen für Schalen

Eigenfrequenzen können nun bestimmten Arten von gradientenbasierten Optimierungen unterzogen und beispielsweise für die Form-Optimierung von Schalen verwendet werden. Die bestehende Funktion Polynomial Boundary wurde erweitert, um 3D zu unterstützen, und eine neue Funktion Polynomial Shell wurde dem Shape Optimization Interface hinzugefügt. Eine Demonstration dieser Funktionalität sehen Sie in dem neuen Tutorial-Modell Maximizing the Eigenfrequency of a Shell.

Die COMSOL Multiphysics Benutzeroberfläche, die den Model Builder mit hervorgehobenem Optimization Knoten, den entsprechenden Einstellungen, einem Schalen-Modell im Grafikfenster und den Objective Probe Table zeigt.

Das Übungsmodell "Maximizing the Eigenfrequency of a Shell" zeigt wie das neue Polynomial Shell Feature genutzt werden kann, um die niedrigste Eigenfrequenz einer Schale zu maximieren.

Neue und Aktualisierte Tutorial-Modelle

COMSOL Multiphysics^® Version 6.1 bietet mehrere neue und aktualisierte Tutorial-Modelle für das Optimization Module.

Exporting and Importing a Topology-Optimized Hook

Bei dieser Topologie-Optimierung eines Hakens findet die Simulation die optimale Materialverteilung, wenn das Bauteil zwei Lastfällen ausgesetzt ist. Dieses bereits verfügbare Modell wurde aktualisiert, um die neuen Fräsbeschränkungen zu verwenden, die in der Funktion Density Model verfügbar sind.

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hook_topology_optimization_stl
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Topology Optimization of a Torsion Sphere with Milling Constraints

Ein Torsions-Kugel-Modell mit zwei Symmetrieebenen.

Dieses Beispiel ist ein Benchmark für Fräsbeschränkungen und löst ein Problem zur Optimierung der Drehmoment-Topologie. Ohne Fräsbeschränkungen ist die resultierende Form eine geschlossene Kugel, aber mit Fräsbeschränkungen ist sie komplizierter, wie in der Abbildung dargestellt. Das Modell optimiert die Topologie mit vier Fräsrichtungen. Die Symmetrie wird genutzt, so dass nur zwei Fräsrichtungen berücksichtigt werden müssen.

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torque_topology_optimization_milling
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Topology Optimization of a Step Thrust Bearing

Ein Modell eines stufenförmigen Drucklagers, bei dem das Lagerspiel in rot und blau dargestellt ist.

Die Topologie-Optimierung wird verwendet, um ein stufenförmiges Drucklager zu designen, das eine große Last tragen kann. Designs mit einer unterschiedlichen Anzahl von Rillen können durch Modifizierung des ursprünglichen Designs identifiziert werden. Das Ergebnis wird mit einem körperangepassten Netz verifiziert.

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step_thrust_bearing_topology_optimization
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Shape Optimization of a Step Thrust Bearing

Die Verformung eines gestuften Drucklagermodells wird durch Pfeile dargestellt.

Die Form-Optimierung wird verwendet, um ein stufenförmiges Drucklager zu designen, das eine große Last tragen kann. Die Control Function Features werden verwendet, um die Stufen in azimutaler Richtung zu bewegen.

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step_thrust_bearing_shape_optimization
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Topology Optimization of a Beam with Milling Constraints

Ein rechteckiges Strahlmodell in der Rainbow Light Farbskala mit schwarzen Pfeilen.

Die Masse eines Aluminiumbalkens wird durch Topologie-Optimierung unter Berücksichtigung einer Verschiebungsbedingung und einer verteilten Last minimiert. Dieses bereits verfügbare Modell wurde modifiziert, um die Verwendung der neuen Fräsbeschränkungen beim Fräsen von der x- und y-Achse zu demonstrieren.

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beam_optimization_milling
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Design Optimization of a Beam

Ein gebogenes Balkenmodell in der Rainbow Light Farbskala mit schwarzen Pfeilen.

Die Masse eines Aluminiumbalkens wird durch Form-Optimierung unter Berücksichtigung einer Verschiebungsbeschränkung und einer verteilten Last minimiert. Dieses bereits verfügbare Modell wurde mit neuen Funktionen aktualisiert, die die Kontinuität des Normalenvektors zwischen den beiden Bernstein-Polynomen zweiter Ordnung sicherstellen, die die Form des unteren Randes definieren.

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beam_optimization
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Maximizing the Eigenfrequency of a Shell

Ein in der Mitte gebogenes Schalenmodell in der Rainbow Light Farbskala mit roten Pfeilen.

Die niedrigste Eigenfrequenz einer Schale wird optimiert, indem ihre Form mit der Funktion Polynomial Shell verformt wird. Die äußerste rechte Begrenzung wird in dem Shell Interface fixiert, während die anderen äußeren Kanten in dem Shape Optimization Interface fixiert werden.

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shell_eigenfrequency_shape_optimization
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Topology Optimization of a Sound Partition Considering Acoustic–Structure Interaction

Das Modell einer Schallschutzwand zeigt das Ergebnis der Topologie-Optimierung und das an den Körper angepasste Netz.

Dieses Modell reproduziert eine akademische Arbeit über das Design einer Schallschutzwand. Die gemischte Formulierung des Solid Mechanics Interface wird verwendet, um eine Topologie-Optimierung für die Akustik-Struktur-Interaktion der Barriere aufzusetzen. Das resultierende Design wird mit einem körperangepassten Netz verifiziert.

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topology_optimization_solid_aco
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Bracket — Stress Optimization with Fatigue Evaluation

Zwei Halterungsmodelle, die oben die ursprüngliche Geometrie und unten die optimierte Geometrie zeigen.

Dieses Beispiel demonstriert die Form-Optimierung zusammen mit einer Bewertung der strukturellen Ermüdung und minimiert die ungefähre maximale Spannung einer Halterung. Die Masse und die Steifigkeit sind gegenüber den Ausgangswerten eingeschränkt. Die Ermüdungslebensdauer ist nach der Optimierung (unten) im Vergleich zur ursprünglichen Geometrie (oben) verbessert.

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bracket_fatigue_optimization
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Wheel Rim — Stress Optimization with Fatigue Evaluation

Zwei Felgensektoren, die oben die ursprüngliche Geometrie und unten die optimierte Geometrie zeigen.

Die ungefähre maximale Spannung eines Rads wird durch Form-Optimierung minimiert. Das Rad wird als Ganzes modelliert, wobei eine Sektorsymmetrie angewendet wird. Der für die Spannungsevaluation verwendete Sektor nutzt ein feineres Netz.

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rim_fatigue_optimization
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Wheel Rim — Topology Optimization with Milling Constraints

Ein Felgenmodell wird auf Steifigkeit in Bezug auf 12 Belastungsfälle optimiert, wobei eine Topologie-Optimierung mit Herstellungsbeschränkungen verwendet wird. Das gesamte Rad wird modelliert, wobei für die Form-Optimierung eine Sektorsymmetrie vorgegeben wird.

Application Gallery Titel:
wheel_topology_optimization_milling
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