Applying topology optimization to design of planer machine parts

Abstract

Topoloji optimizasyon yöntemi olarak adlandırılan, uygulamalı matematiğin yeni bir alanı son yirmi yıldır endüstriel ve bilimsel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Yöntem, Sonlu Eleman (SE) programlarında uzun çözüm süresi gerektirmektedir. Özel topoloji optimizasyon programları mevcut olmasına rağmen yüksek fiyatları nedeni ile tercih edilmemektedirler. Yapıların analizi için birçok nümerik Sonlu Eleman Metoduna (SEM) dayalı paket programları mevcuttur. Tasarım esnasında makine parçalarının topolojisinin optimize edilebilmesi için, ticari bir SE programı ile kullanılmak üzere bir makro geliştirmenin çok yararlı olacağı düşünülmüştür.Literatürde topoloji optimizasyonu için bazı yöntemler ileri sürülmüştür. Bu çalışmada bu yöntemler araştırılmıştır. Topoloji optimizasyonun ana fikri tekrarlanan bir işlem içerisinde düşük gerilime sahip malzemenin yapıdan çıkarılmasıdır. Eleman Silme Metodu (ESM) da bu fikre dayanmaktadır. Bu çalışmada ESM'nun uygulanması için ticari bir SE programı olan Ansys'de algoritma geliştirilmiştir.Geliştirilen bu algoritmanın sonuçları yayınlanan bazı sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Ayrıca bu algoritmanın sonuçlarıyla Ansys'in topoloji optimizasyon aracının sonuçları da karşılaştırılmıştır. Tüm karşılaştırmalar tatmin edici sonuçlar vermiştir. Geliştirilen algoritma topology optimizasyonunun uzun çözüm süresi dezavantıjını geride bırakmıştır. Yüksek eleman sayılı parçaların optimizasyonu için gerekli zaman %90'a kadar düşürülmüştür.

During the last two decades a new field of applied mathematics has been used very commonly in industrial and scientific applications, namely the topology optimization techniques. The technique takes very long solution times on Finite Element (FE) programs. Special topology optimization programs exist but also not preferred due to high cost. There are number of numerical Finite Element Method (FEM) based package programs to analyze structures. Developing a macro to use with a commercial FE program is considered to be very useful to optimize topology of machine parts during design stage.Some methods for topology optimization have been proposed in the literature. These methods are investigated in this study. The main idea of topology optimization is removal of low stressed material from a structure in an iterative process. Element Removal Method (ERM) depends on this idea. In this study, for application of ERM an algorithm is developed in Ansys which is commercial FE program.Results of the developed algorithm are compared with some published results. The results of the developed algorithm are also compared with that of Ansys topology optimization tool. All comparisons yielded satisfying results. Developed algorithm overcomes the problem of topology optimization: long solution time of the method. Time necessary for optimization of parts with high element number is reduced up to 90 %.