Riassunto analitico
Attualmente la gran parte delle aziende meccaniche si dedica a sviluppare prodotti migliori, affidabili ed efficienti entro tempi di sviluppo ridotti. Focalizzandosi sulla progettazione di parti strutturali, l’innovazione è solitamente perseguita attraverso flussi di lavoro comprovati e guidati dall’esperienza del progettista coadiuvata da analisi agli elementi finiti. Questi flussi di lavoro solitamente richiedono alcune iterazioni che coinvolgono analisi agli elementi finiti e revisione del componente al fine di ottenere un certo livello di affidabilità; se l’obiettivo è ottenere una soluzione ottimale, il numero di tali iterazioni cresce. Si stanno diffondendo sempre di più nel mondo industriale tecniche complementari identificabili nei metodi di ottimizzazione strutturale. Il loro ruolo è di supportare i progettisti e gli analisti nel trovare e scegliere la struttura migliore per il componente studiato. Uno dei principali campi di ricerca aperti nell’ottimizzazione strutturale, sia in ambito industriale sia accademico, è l’introduzione di questi metodi nei flussi di progettazione tradizionali. In un preciso contesto industriale, il principale contributo di questa tesi è la definizione e lo sviluppo di metodi per applicare efficacemente tecniche di ottimizzazione strutturale nei flussi di progettazione. Tecniche di ottimizzazione topologica e di forma sono state studiate concentrandosi su analisi tensionali e a fatica poiché i flussi di lavoro originali si basano su esse. Nonostante la tesi sia strutturata in due parti distinte per ottimizzazione topologica e di forma, tali tecniche sono da considerarsi complementari.
Dall’esistente interno all’azienda, si sono evidenziati i limiti e le potenzialità dei software disponibili attraverso casi studio e applicazioni industriali sia per ottimizzazione topologica sia di forma. Diverse tecniche per ricavare una geometria dal risultato dell’ottimizzazione topologica sono state sfruttate e valutate. I metodi disponibili nei software per considerare la tensione nell’ottimizzazione topologica sono stati valutati rispetto alla letteratura e applicati a casi industriali: i limiti del loro utilizzo sono dovuti all’insorgere di problemi di singolarità. Sono state eseguite diverse ottimizzazioni di forma governate da analisi a fatica enfatizzando gli aspetti positivi e negativi della parametrizzazione geometrica e del mesh morphing. I limiti attuali della parametrizzazione della geometria sono legati al dover mantenerne la coerenza mentre le tecniche di morphing richiedono solitamente dei flussi di lavoro dedicati.
I maggiori contributi alla ricerca riguardano lo sviluppo di strumenti computazionali e di metodologie per superare alcune delle principali limitazioni incontrate nell’introdurre l’ottimizzazione strutturale nel flusso di progettazione. Nel campo dell’ottimizzazione topologica si è perseguita l’introduzione di curve di fatica personalizzate e alcuni approcci alternativi per adattare le potenzialità degli strumenti di calcolo alle necessità specifiche degli utilizzatori. Anche se alcuni risultati sono stati ottenuti, i margini sono limitati a fronte del processo di calcolo: solo implementando da zero un algoritmo di ottimizzazione topologica si potrebbe introdurre in esso un’analisi a fatica dedicata. Alcuni passi avanti più efficaci sono stati mossi nell’ambito dell’ottimizzazione di forma, tra gli altri: una nuova procedura che coinvolga software e analisi differenti, un metodo per considerare le proprietà locali del materiale durante l’ottimizzazione, un approccio misto morphing-geometrico. A margine dell’ottimizzazione strutturale, diversi strumenti e procedure sono stati definiti e implementati per semplificare alcuni aspetti del flusso di progettazione.
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Abstract
Currently, the most of engineering enterprises have been concentrated to develop reliable, efficient and better products within least possible development times. Focusing on structural components design, the innovation is typically achieved via established workflows guided by the designer experience coupled with finite element analysis. These workflows usually need some iterations involving finite element analysis and component re-design to get a reliable result and the loop lengthens if looking for an optimal solution is the aim. Complementary techniques recognizable in the structural optimization methods are now becoming more and more popular in the industrial world. Their main role is to support designers and analysts in finding and choosing the best structure of the studied component. One of the main academic and industrial open fields in structural optimization regards the introduction of these methods in the standard design procedures. Enclosed in a real industrial framework, the principal contribution of this thesis is the definition and development of methods and procedures in order to efficiently apply structural optimization techniques in the design workflows. Both topology and shape optimization have been studied by focusing on stress and fatigue related aspects since the established design procedures are mainly referred to fatigue analysis. Even if the thesis is structured in two distinct parts for topology and shape optimization, these techniques should be considered as complimentary in a generic vision of a design process.
Starting from the company internal know-how, potentialities and limits of the available software have been highlighted through both academic test cases and industrial applications for both topology and shape optimization. Among the others, best practices to re-design topology optimization results have been exploited and defined on real components. Methods to apply stress constraints in topology optimization offered by the available software have been evaluated respect to the literature and then applied to industrial cases: usability limits of the current methods are mainly due to singularity problems. Different shape optimizations driven by multiaxial high cycle fatigue have been performed: the positives and negatives of geometry parametrization and mesh morphing have been emphasized. The actual major limits in parametric geometries are related to geometric coherence, while morphing techniques typically require dedicated multiplatform workflows.
The main research contributions regard the development of computational tools and methodologies to overcome some of the faced main limitations in introducing structural optimization in the design workflow. Within topology optimization field the introduction of custom fatigue curves and some alternative approaches have been pursued in order to try to fit the software capabilities to the specific user’s needs. Even if some results have been obtained, the leeways are limited due to the computational method: only an in-house topology optimization algorithm could eventually be developed to introduce custom fatigue analysis in it. Some steps forward have been done in shape optimization with more effective results: a new automatic procedure to perform optimization involving different software and analysis, a method to consider local material properties in shape optimization, a mixed geometric-morphing based approach have been developed together with others. Beside structural optimization, different tools and procedures have been defined and developed in order to simplify some aspects of the design workflow.
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