บทนำ: ข้อกำหนดน้ำหนักเบาและคุณค่าของการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยี
ในการบินและอวกาศ การผลิตรถยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และสาขาอื่นๆ การลดน้ำหนักของชิ้นส่วนส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและต้นทุนของผลิตภัณฑ์ การออกแบบแบบดั้งเดิมอาศัยกฎทั่วไป และอัตราการใช้วัสดุอยู่ที่ 35%-45% เท่านั้น อย่างไรก็ตาม การเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีตามเส้นทางการส่งแรงสามารถเพิ่มอัตราการใช้วัสดุได้มากกว่า 85% ข้อมูลจากโครงการยึดเครื่องยนต์กังหันของบริษัทการบินแห่งหนึ่ง แสดงให้เห็นว่าหลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีแล้ว มวลชิ้นส่วนลดลงจากเดิม 2.8 กก. เหลือ 1.06 กก. น้ำหนักลดลง 62% ในขณะที่อายุความล้าเพิ่มขึ้น 40% ความสำเร็จนี้เผยให้เห็นคุณค่ามหาศาลของการผสมผสานระหว่างการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีและเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ทะลุขีดจำกัดของกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม และทำให้เกิดการออกแบบโครงสร้างไบโอนิคที่แท้จริง
1. หลักการพื้นฐานของการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยี
1. แกนหลักของอัลกอริทึมวิธีความหนาแน่น SIMP
วิธีความหนาแน่น SIMP (วัสดุไอโซทรอปิกแข็งพร้อมการลงโทษ) กระแสหลักที่สุดในการปรับโครงสร้างโทโพโลยีให้เหมาะสมที่สุด แยกโดเมนการออกแบบออกเป็นหน่วยที่มีขอบเขตจำกัด กำหนดตัวแปรความหนาแน่น ρ (0-1) ให้กับแต่ละหน่วย และสร้างความสัมพันธ์การประมาณค่าระหว่างความหนาแน่นของวัสดุและโมดูลัสยืดหยุ่น:
E(ρ) = E₀ × ρ^p
โดยที่ p คือปัจจัยการลงโทษ (ปกติคือ 3.0) ซึ่งส่งเสริมความหนาแน่นของหน่วยให้มาบรรจบกันเป็น 0 (ว่าง) หรือ 1 (จริง) ฟังก์ชั่นวัตถุประสงค์คือการลดความยืดหยุ่นของโครงสร้างให้เหลือน้อยที่สุด และข้อจำกัดคือขีดจำกัดบนของเศษส่วนปริมาตร
2. เพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการแก้ปัญหา
กระบวนการปรับให้เหมาะสมโดยสมบูรณ์ประกอบด้วยสี่ขั้นตอนหลัก: การแยกส่วนทางเรขาคณิต (การประสาน) การวิเคราะห์ความไว การอัปเดตความหนาแน่น และการกำหนดการลู่เข้า การวิเคราะห์ความไวใช้วิธีเสริมในการคำนวณอนุพันธ์ของฟังก์ชันวัตถุประสงค์เทียบกับตัวแปรความหนาแน่น สูตรตัวเลขคือ:
∂C/∂ρₑ = -p × ρₑ^(p-1) × uₑᵀ × K₀ × uₑ
โดยที่ uₑ คือเวกเตอร์การกระจัดของหน่วย และ K₀ คือเมทริกซ์ความแข็งของวัสดุที่เป็นของแข็ง ข้อมูลจากโครงการแขนควบคุมยานยนต์บางโครงการแสดงให้เห็นว่ามีการใช้ตาข่ายแบบ Hexa-dominant meshing โดยมีขนาดหน่วย 2.5 มม. จำนวนหน่วยทั้งหมดประมาณ 187,000 หน่วย และการปรับปรุงประสิทธิภาพซ้ำ 45 ครั้งเพื่อให้ได้มาตรฐานการลู่เข้า (การเปลี่ยนแปลงฟังก์ชันวัตถุประสงค์
ส่งโมเดล แบบแปลน รูปภาพ หรือบันทึกเป็นลายลักษณ์อักษร วิศวกรจะตรวจสอบวัสดุ กระบวนการ การตกแต่ง และการส่งมอบตามการใช้งานจริง