Introducción y contexto.
Hoy vamos a tratar en nuestro blog un tema que desde hace un tiempo y cada vez más, está muy en boga en el mundo de diseño mecánico y CAD. Se trata de la Optimización Topológica.
Hay que tener en cuenta de que los recursos materiales para fabricación son cada vez más limitados; pues la disponibilidad de recursos materiales muestra una tendencia sostenida a la tensión y encarecimiento moderado, debido al aumento de la demanda tecnológica, la concentración geográfica de materias críticas y las limitaciones ambientales en minería y refinado.
Por lo tanto, se busca que exista menos material implicado en los diseños ya que ello repercute en un menor peso, menor consumo energético, y menor coste. Y ahí radica la importancia de la optimización topológica en software de Diseño Mecánico.
Hasta hace no mucho el procedimiento de “optimizar” un diseño en cuanto a material, se llevaba a cabo de una forma más o menos manual, es decir, se obtenía un primer resultado por elementos finitos del diseño, se podía visualizar un mapa de tensiones máximas y/o factor de seguridad; y en función de las zonas menos solicitadas mecánicamente se decidía la geometría a optimizar.
Pues bien, con mayor medida en la actualidad, con las herramientas de Optimización Topológica que están disponibles en la mayoría de los software de diseño mecánico, el proceso de “optimizar” se vuelve más “automático”, de forma que en función de las condiciones de contorno impuestas en cuanto a restricciones, fuerzas, material, regiones que queremos conservar para no eliminar material, objetivos de reducción de masa, etc…una vez realizado el cálculo, el programa nos generará una geometría determinada optimizada y con las zonas que son susceptibles de reducción sin comprometer una fiabilidad y “resistencia” esperadas en su utilización final.
De esta forma el proceso de optimización sería menos tedioso y más rápido para llegar a un resultado satisfactorio.
Un caso particular. Optimizar un brazo de suspensión en Solidworks.
Para el caso vamos a tener en cuenta un elemento de diseño como podría ser el diseño de un brazo de suspensión. Hay que tener en cuenta de que el diseño se ha simplificado a efectos de este blog.
Inicialmente partimos de un diseño en aluminio 6061 T6 cuya masa inicial es de 17,900 Kg y tras realizar un primer análisis estático convencional vemos que trabajaría con un Factor Mínimo de Seguridad ligeramente superior a 3.5. Luego todavía podría haber cierto margen de mejora.
Tras llevar a cabo el procedimiento topológico, en este caso en Solidworks Simulation, obtenemos lo siguiente:
Es decir, hemos conseguido reducir la masa desde unos iniciales 17,9 Kg hasta unos 13,4Kg sin comprometer la “resistencia”.
En la imagen del estudio topológico se puede observar que todo lo que no esté en color “amarillo” es susceptible de eliminar.
Así pues, el siguiente paso para el diseñador ya sería la de, partiendo de esta recomendación, proceder a modelado de eliminación de material sobre el elemento original. Lo recomendable en este caso es crear una nueva configuración para el elemento “aligerado”.
En el caso de este elemento, la disminución de masa implica el consumo de menos recursos materiales, a la vez que induce en este caso a un mejor comportamiento dinámico de la suspensión del vehículo al ser un elemento (masa no suspendida) menos pesado.
Este podría ser un caso entre otros muchos en el que tendría cabida un estudio de Optimización Topológica.
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