Abaqus 토폴로지 최적화 101 | 꼭 알아야 할 기본 사항

최적화는 엔지니어링 설계의 핵심 요소로, 불필요한 재료를 줄이는 동시에 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다. Abaqus에서는 위상 최적화와 형상 최적화라는 두 가지 주요 최적화 유형을 사용할 수 있습니다. 위상 최적화는 주어진 설계 공간 내에서 최적의 재료 분포를 찾는 데 중점을 두는 반면, 형상 최적화는 더 나은 성능을 위해 구조물의 경계를 미세 조정합니다.

이 블로그에서는 주로 Abaqus의 위상 최적화에 중점을 둡니다. 위상 최적화의 작동 방식, 형상 최적화와의 차이점을 설명하고, Abaqus/CAE에서 위상 최적화를 설정하고 키워드를 입력하는 방법을 안내합니다. 기계 부품, 항공우주 구조물, 자동차 부품 등 어떤 제품을 최적화하든 Abaqus에서 위상 최적화를 완벽하게 활용하면 더 가볍고 견고한 설계를 구현하는 데 도움이 될 수 있습니다.

배우다 Abaqus의 구조 최적화 포괄적인 튜토리얼과 함께! 기본 개념부터 고급 기술까지 모든 것을 다룹니다.토폴로지 및 모양 최적화, 자세한 알고리즘 및 설정에 대한 전체 설명과 함께 실제적인 예를 제공합니다. 처음부터 시작하든 기술을 향상시키든, 이 가이드가 도움이 될 것입니다.

Abaqus 토폴로지 최적화란 무엇인가요?

위상 최적화를 설명하는 예로, 과체중 개인이 두 가지 주요 목표를 위해 운동 계획을 시작하는 경우를 들 수 있습니다. 하나는 체중 감량, 즉 체지방 감소이고, 다른 하나는 근육을 키워 근력을 강화하여 최적의 체력을 달성하는 것입니다. 이 섹션에서는 Abaqus의 위상 최적화 개념을 간략하게 소개하고 그 중요성을 설명하겠습니다. 구조 최적화 프로세스.

토폴로지 최적화 구성 요소의 최대 물리적 범위로 간주되는 예비 설계로 시작합니다. 최적화 제약 조건을 준수하면서 초기 설계 내에서 요소의 밀도와 강성을 조정하여 새로운 재료 분포를 확립합니다. 위상 최적화는 주어진 설계 공간 내에서 최적의 재료 분포를 결정하는 수학적 접근법입니다. 구조적 무결성을 유지하면서 불필요한 재료를 제거하여 성능을 극대화하는 것을 목표로 합니다. 그 결과, 종종 기존과 다른 고효율 설계가 도출됩니다.

이 문제를 더 잘 이해하려면 그림 1을 살펴보세요. 이 비선형 브레이크 페달의 예는 강성을 높이는 동시에 부피를 50%만큼 줄이는 것을 목표로 하는 토폴로지 최적화 프로세스의 발전을 보여줍니다.

그림 1: 브레이크 페달을 위한 토폴로지 최적화

그림 2는 Abaqus 토폴로지 최적화 모듈을 활용한 스퍼 기어와 샤프트 어셈블리의 토폴로지 최적화에 관련된 구성과 후속 처리를 보여줍니다.

그림 2: 스퍼 기어 및 샤프트 어셈블리의 토폴로지 최적화

Algorithms of Topology Optimization in Abaqus

토폴로지 최적화에는 다음이 포함됩니다. 둘 서로 다른 알고리즘:

• 일반 알고리즘: 이는 광범위한 문제에 더 큰 유연성과 적용성을 제공합니다.
• 조건 기반 알고리즘: 더 효율적이지만 몇 가지 한계가 있습니다.

기본적으로, 최적화 모듈은 다음을 사용합니다. 일반 알고리즘; 하지만 사용자는 최적화 작업을 시작할 때 선호하는 알고리즘을 선택할 수 있습니다. 각 알고리즘은 최적화된 솔루션에 도달하기 위해 고유한 방법론을 사용합니다.

다음 표는 토폴로지 알고리즘 간의 차이점을 보여줍니다. 이 표는 단지 개요일 뿐입니다! 더 자세히 알고 싶으신가요? 이 알고리즘이 정확히 어떻게 작동하는지? 당신은 그것을 배울 수 있습니다 토폴로지 최적화 수업.

그림 3: 일반 알고리즘 대 조건 기반 알고리즘

Topology Optimization Setup in Abaqus

Abaqus의 토폴로지 최적화 설정에는 다음이 포함됩니다.

• 최적화 작업 정의: Abaqus에서 토폴로지 최적화를 설정하는 첫 번째 단계는 최적화 작업을 정의하는 것입니다. 최적화 작업은 최적화 프로세스의 전반적인 목표를 설명합니다.
• 설계 응답(입력) 정의: 다음으로, 입력값인 설계 응답을 정의해야 합니다. 변경하거나 최적화하려는 모델의 특성이 있습니다. 다음 표는 어떤 설계 응답을 목적 함수, 제약 조건 또는 둘 다로 사용할 수 있는지 보여줍니다.

디자인 응답이 단일 용어로 표현되거나 여러 용어를 결합하여 표현될 수 있다는 것을 알고 계셨나요? 자세한 내용은 저희 지도 시간.

그림 4: 일반 알고리즘의 설계 응답

• 목적 함수 생성: 그런 다음, 최대화하거나 최소화해야 하는 값을 나타내는 목적 함수를 만듭니다.
• 제약 조건 생성: 그런 다음 설계에 제한을 가하기 위해 제약 조건이 만들어져 최적화된 구조가 특정 성능이나 설계 기준을 충족하도록 보장합니다.
• 기하학적 제한 만들기: 마지막으로, 기하학적 제한을 적용하여 설계 영역의 모양이나 크기를 제어하고, 이를 통해 솔루션이 실제 제조 한계 내에서 실행 가능하도록 보장합니다.

Applications of Topology Optimization in Engineering Design

Abaqus의 위상 최적화는 항공우주, 자동차, 토목 공학 등의 산업에서 널리 사용됩니다. Abaqus는 항공기 부품, 자동차 섀시, 건물 프레임 등 가볍고 튼튼한 구조물을 설계하는 데 도움을 주며, 모든 구조물은 성능과 재료 사용에 최적화되어 있습니다.

Optimization Process

최적화 프로세스는 반복적인 절차 Abaqus의 최적화 모듈 내에서 정의된 최적화 작업을 해석합니다. 최적화 작업에 명시된 목적 함수와 제약 조건을 평가하여 최적화된 솔루션을 찾는 것을 목표로 합니다. 그림 5는 설계 변수 업데이트, 유한 요소 모델 조정, 최적화된 솔루션을 추구하기 위한 Abaqus 분석 실행을 포함하는 최적화 프로세스의 반복적 특성을 보여줍니다.

최적화 프로세스를 제출하면 모든 사이클에서 다음과 같은 작업이 수행됩니다. 먼저 Abaqus 분석이 수행됩니다. 다음으로 최적화 모듈이 개입하여 모델이 목적 함수와 제약 조건을 충족하는지 확인합니다. 충족하지 않으면 모델을 수정합니다. 이것으로 한 사이클이 끝납니다. 수정된 모델은 다음 사이클에서 분석되고, 최적화 모듈이 다시 한 번 확인합니다. 모델이 만족스럽지 않으면 최적화 모듈이 다시 수정하여 다음 사이클에서 분석합니다. 이 루틴은 최적화 프로세스가 최적 해에 수렴하거나 최대 설계 사이클 수에 도달할 때까지 계속됩니다.

그림 5: 최적화 프로세스

생성하고 싶을 때 최적화 프로세스, 그것을 실행할 때, 분석 결과와 최적화 결과를 결합해야 합니다. 그러면 Abaqus의 시각화 모듈에서 결과를 볼 수 있다는 거예요!! 뭐라고요? 어떻게? 왜요? 훌륭한 질문입니다. 이 모든 답변은 마지막 부분에서 확인하실 수 있습니다. 토폴로지 최적화 수업.

Terminology in Abaqus Optimization

구조 최적화에는 고유한 용어들이 사용됩니다. 다음 용어들은 Abaqus 설명서와 Abaqus/CAE 사용자 인터페이스에서 일관되게 사용됩니다.

• 디자인 영역: 설계 영역은 구조 최적화를 통해 수정될 수 있는 모델 섹션을 말합니다.
• 디자인 대응: 최적화에 대한 입력을 설계 응답이라고 합니다. 다시 말해, 설계 응답은 다음과 같다고 할 수 있습니다. 최적화의 목표; 모델의 어떤 특성을 변경하고 싶은지, 아니면 최적화하고 싶은지 말씀드리겠습니다.
• 설계 변수: 최적화 문제의 맥락에서 설계 변수는 다음과 같습니다. 최적화 프로세스 중에 변경될 매개변수.
• 기하학적 제한: 기하학적인 것도 적용할 수 있습니다. 제조 제약 최적화와 무관한 사항입니다. 예를 들어 구조물은 주조나 스탬핑이 가능해야 하며 베어링 표면의 직경은 변경될 수 없습니다.
• 설계 주기: 최적화 프로세스는 반복적인 과정으로, 설계 변수를 업데이트하고, 수정된 모델에 대한 Abaqus 분석을 수행하고, 결과를 평가하여 최적화된 솔루션이 달성되었는지 확인하는 과정이 포함됩니다. 이러한 최적화의 각 반복을 설계 주기라고 합니다.
• 최적화 작업: 최적화 작업 최적화의 매개변수를 포함합니다, 여기에는 설계 대응, 목표, 제약 조건 및 기하학적 제한 사항이 포함됩니다.
• 목적 함수: 최대화 또는 최소화해야 할 양입니다. 이는 단일 항 설계 반응 또는 설계 반응의 조합일 수 있습니다. 목적 함수는 지정된 설계 반응을 최대화하거나 최소화할 수 있는 도구입니다.
• 제약 조건: 최적화 문제(설계 응답)에 경계를 두는 양. 즉, 제약 조건은 설계 응답의 가치를 제한합니다.. 예를 들어, 모델의 질량을 25% 줄이고 싶은 경우 제약 조건이 이 작업을 수행합니다.
• 정지 조건: 전역 중지 조건은 최적화 프로세스가 실행할 수 있는 반복 횟수의 상한을 설정합니다.

아래 그림은 Abaqus 최적화의 가장 중요한 개념을 보여줍니다. 다른 개념과 설정에 대한 자세한 내용은 "“소개 최적화” 튜토리얼의 수업입니다.

Abaqus에서 기어의 토폴로지 최적화. 그 방법을 배우고 싶으신가요? 이 장비의 토폴로지와 그 외 더 많은 내용을 알고 싶으신가요? 기초적인 그리고 세부 설정 우리의 Abaqus에서의 토폴로지 최적화 지도 시간.

Achieving Precision with Shape Optimization

이 섹션에서는 형상 최적화 개념에 대한 간략한 개요를 제공하고 구조 최적화 과정에서 그 중요성을 설명합니다. 형상 최적화는 최적 제어 이론의 영역에 속합니다. 주요 목표는 기존 제약 조건을 준수하면서 특정 비용 함수를 최소화하는 형상을 파악하는 것입니다.

What is Abaqus Shape Optimization?

Abaqus 형상 최적화 구성 요소의 전체 구성이 확립되면 설계 프로세스 후에 사용됩니다. 지정된 영역의 표면 노드 조정을 통한 약간의 수정만 가능. 이 프로세스는 사소한 개선이 필요한 유한 요소 모델이나 토폴로지 최적화를 통해 생성된 모델로 시작됩니다.

그만큼 형상 최적화의 주요 목적은 응력 집중을 줄이는 것입니다. 응력 해석 결과를 활용하여 원하는 응력 수준에 도달할 때까지 부품의 표면 형상을 변경합니다. 그림 6은 연결봉 바닥의 단면을 보여주는데, 여기서 표면 노드는 형상 최적화를 통해 조정되어 응력 집중의 영향을 완화합니다.

그림 6: Abaqus 형상 최적화

Algorithms of Shape Optimization in Abaqus

모양 최적화는 두 가지 알고리즘을 사용합니다.

• 일반 알고리즘
• 조건 기반 알고리즘

형상 최적화 알고리즘 간의 가장 큰 차이점은 설계 응답에 있습니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이, 조건 기반 알고리즘보다 일반 알고리즘에서 더 많은 설계 응답을 사용할 수 있습니다.

그림 7: 형상 최적화 알고리즘의 설계 응답

Shape optimization Setup in Abaqus

Abaqus의 형상 최적화 설정에는 다음이 포함됩니다.

• 최적화 작업 정의: Abaqus에서 형상 최적화를 설정하는 첫 단계는 최적화 작업을 정의하는 것입니다. 이 작업을 통해 최적화 프로세스의 주요 목표가 설정됩니다.
• 설계 응답(입력) 정의: 다음 단계는 최적화 목표를 나타내는 설계 응답을 정의하는 것으로, 모델의 어떤 특정 특성을 수정하거나 향상시키고자 하는지 나타냅니다.
• 목적 함수 생성: 이 단계에서 목적 함수는 최대화 또는 최소화되도록 의도된 값을 나타냅니다.
• 제약 조건 생성: 그런 다음 설계 대응의 허용 범위를 정의하기 위해 제약 조건이 도입됩니다.
• 기하학적 제한 만들기: 마지막으로, 설계 영역의 모양이나 크기를 조절하기 위해 기하학적 제약이 적용되어 최종 솔루션이 실제 제조에 적용 가능하도록 보장합니다. 기하학적 제약에 대해 더 자세히 알아보려면 튜토리얼의 모양 최적화 수업.
• 정지 조건 생성: 중지 조건은 최적화 프로세스를 중지해야 하는 시점을 결정하기 위해 정의되며, 일반적으로 최대 반복 횟수에 도달하거나, 원하는 수렴 수준을 달성하거나, 특정 성능 목표를 달성하는 등의 기준에 따라 결정됩니다.

Advantages of Shape Optimization in Abaqus

Abaqus는 설계 형상을 정밀하게 제어할 수 있는 강력한 형상 최적화 도구를 제공합니다. 엔지니어는 형상을 미세 조정하여 다양한 조건에서 최적의 성능을 발휘하도록 할 수 있으며, 이는 Abaqus가 구조 성능 향상에 매우 중요한 도구임을 의미합니다. 형상 최적화를 통해 설계를 미세 조정하여 엔지니어는 최대 성능과 효율성을 위해 설계를 개선할 수 있습니다.

How Topology and Shape Optimization Work Together

하는 동안 토폴로지 최적화와 형태 최적화를 별도로 수행할 수 있습니다., 그들 종종 결합하면 가장 잘 작동합니다. 위상 최적화는 최적의 재료 분포를 찾아 경량 구조를 만드는 데 사용되고, 형상 최적화는 더 나은 성능을 위해 외부 형상을 미세 조정하는 데 사용됩니다. 위상 최적화와 형상 최적화의 시너지 효과를 통해 엔지니어는 최적화된 재료 분포와 형상을 통해 가볍고 튼튼한 구조를 만들 수 있습니다. 이러한 통합적인 접근 방식은 항공우주 및 자동차 엔지니어링과 같은 산업에 특히 유용합니다.

Practical Examples of Combined Optimization Techniques

예를 들어, 항공우주 분야에서 날개 부품은 무게와 재료 사용량을 줄이기 위해 먼저 위상 최적화를 거칠 수 있습니다. 그런 다음 형상 최적화를 통해 최종 설계를 개선하여 공기역학적으로 효율적이고 견고하며 제조 가능한 설계를 확보할 수 있습니다. Abaqus에서는 이러한 조합을 통해 최적화된 재료 사용량과 공기역학적 형상을 갖춘 최고의 효율을 구현하는 설계가 가능합니다.

Step-by-Step Guide to Running Optimization Simulations in Abaqus

다음 사항을 유의하시기 바랍니다. Abaqus에서 최적화 과정을 시작하기 전에 TOSCA 구조 소프트웨어를 설치하세요. Abaqus에서 최적화 시뮬레이션을 실행하는 데는 여러 단계가 있습니다. 그림 8은 최적화 과정에서 사용자 동작과 Abaqus 동작을 보여줍니다.

그림 8: 최적화 프로세스에서의 사용자 작업 및 자동화된 Abaqus 작업

Abaqus에서 최적화 시뮬레이션을 실행하는 방법에 대한 자세한 가이드는 다음과 같습니다.

Preparing Your Model for Optimization

최적화를 실행하기 전에 Abaqus에서의 시뮬레이션, 모델이 올바르게 설정되었는지 확인하세요. 여기에는 재료 특성, 경계 조건 및 하중 조건을 정의하는 것이 포함됩니다. 또한, 설계 프로세스의 지침이 될 최적화 목표와 제약 조건을 파악합니다. 다음 사항을 언급할 가치가 있습니다. 최적화 프로세스를 실행하기 전에 모델에 대한 전체 분석을 실행하고 완료되었는지 확인해야 합니다.

Setting Up and Defining Optimization Parameters

모델이 준비되면 Abaqus에서 최적화 매개변수를 정의합니다. 그림 9에서 볼 수 있듯이(왼쪽에서 오른쪽 순), 여기에는 다음 항목이 포함됩니다.

(a) 최적화 작업 유형,

(b) 설계 대응,

(c) 목적 함수,

(d) 제약,

(e) 최적화 프로세스를 생성합니다.,

(f) 최적화 프로세스를 제출합니다.

(에이)

(비)

(기음)

(디)

(이자형)

그림 9: Abaqus에서 최적화 매개변수 정의

위의 그림을 보면 각 창과 각 단계에 대한 많은 설정이 있다는 것을 알 수 있습니다. 압도적으로 보입니까? 글쎄요, 우리는 그것들을 모두 자세히 설명했고 그것들이 어떻게 작동하는지 설명했습니다. 지도 시간.

Interpreting Results from Optimization Simulations

최적화 시뮬레이션을 실행한 후, Abaqus는 최적화된 설계를 보여주는 결과를 제공합니다(그림 10 참조). 설계가 모든 성능, 안전 및 재료 사용 목표를 충족하는지 평가하기 위해 이러한 결과를 신중하게 해석하는 것이 중요합니다. 이러한 결과를 기반으로 설계를 미세 조정하여 조정할 수 있습니다.

그림 10: 최적화 시뮬레이션 결과의 개략도

A Practical Example: Bridge Optimization in Abaqus

이 섹션에서는 Abaqus의 위상 최적화 모듈을 사용하는 방법을 배우기 위한 실제 사례를 설명합니다. 재료 효율과 강도를 최적화해야 하는 강교 구조물을 생각해 보겠습니다(그림 11 왼쪽). 목표는 안전성을 저해하지 않으면서 예상 하중을 견딜 수 있는 가볍고 비용 효율적인 교량 설계를 만드는 것입니다(그림 11 및 12).

그림 11: 문제 목표

그림 12: 문제 경계 조건

How to Model the Bridge

Abaqus에서 교량의 형상을 정의하여 모델링합니다. 강재 밀도(7850 kg/m³) 및 영률(210 GPa)과 같은 속성을 지정합니다. 하중 조건을 클램프 지지로 정의합니다(그림 12). 모델이 교량 설계의 핵심 요소(지점, 경간, 하중 지지 구성 요소 등)를 나타내는지 확인합니다. 그런 다음 적절한 메시를 사용합니다(그림 13).

그림 13: 브리지 메시

Run without optimization

먼저 정적 문제를 실행하고 그림 14와 같이 결과를 확인해야 합니다. 보시다시피, 일부 영역에서 최대 비틀림은 2Mpa입니다. 이제 다리의 무게를 줄이고 강성을 극대화해야 합니다.

그림 14: 정적 해석의 응력 결과

How to Run an Optimization Task in Abaqus

토폴로지 최적화를 선택하고 적절한 제약 조건과 목표를 정의하여 Abaqus에서 최적화 작업을 설정합니다(그림 15 참조).

그림 15: 토폴로지 최적화 작업 선택

하중 및 경계 조건에 변화가 없도록 하려면 그림 16에 표시된 두 가지 옵션을 선택하면 됩니다. 이러한 옵션을 선택하면 하중 및 경계 조건 영역을 고정할 수 있습니다.

그림 16: 동결 하중 및 경계 조건

부피에 대한 제약 조건을 생성합니다. 초기값의 분수에 0.3을 입력하여 부피를 30%로 줄입니다(그림 17 참조). 제조 과정에서 문제가 발생하지 않도록 형상 제약 조건을 적용해야 합니다. 하지만 이 예에서는 형상 제약 조건을 고려하지 않았습니다.

그림 17: 볼륨 감소 비율 정의

최대 20회의 사이클로 최적화 프로세스를 만들고 각 사이클마다 저장합니다(그림 18 참조).

그림 18: 최적화 프로세스 생성 및 최대 설계 주기 정의

시뮬레이션을 실행하고 결과를 평가하여 설계 목표를 충족하도록 필요한 조정을 합니다(그림 19 및 20 참조).

그림 19: 최적화된 브리지

그림 20: 최적화된 교량의 응력 윤곽

Common Challenges in Topology and Shape Optimization (And How to Overcome Them)

Abaqus의 최적화는 놀라운 이점을 제공하지만, 해결해야 할 과제도 있습니다. 몇 가지 일반적인 문제는 다음과 같습니다.

• 융합 문제 및 해결 전략

최적화의 과제 중 하나는 해가 실현 가능하고 최적의 설계로 수렴되도록 하는 것입니다. 메시 밀도, 솔버 설정, 경계 조건과 같은 매개변수를 조정하면 수렴 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 복잡한 형상 및 제약 조건 처리

복잡한 형상과 제약 조건은 최적화 과정을 복잡하게 만들 수 있습니다. Abaqus에서 설계를 단순화하거나 고급 메싱 기술을 적용하면 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

• 컴퓨팅 리소스를 효과적으로 관리하기

최적화 시뮬레이션은 계산 집약적일 수 있습니다. 고성능 컴퓨팅 리소스를 활용하고 Abaqus에서 시뮬레이션 설정을 최적화함으로써 엔지니어는 계산 리소스를 효과적으로 관리하고 처리 시간을 단축할 수 있습니다.

엔지니어는 이러한 과제를 이해하고 제약 조건을 신중하게 선택하고 물리적 테스트를 통해 결과를 검증하는 등의 모범 사례를 적용함으로써 이러한 장애물을 극복하고 최적화된 설계를 달성할 수 있습니다.

Case Studies: Real-World Applications of Optimization in Abaqus

Abaqus의 최적화는 자동차 산업, 항공우주 산업, 토목 공학을 포함한 다양한 분야에 적용됩니다.

• 자동차 산업: 경량 부품 설계

Abaqus는 자동차 산업에서 섀시 및 서스펜션 부품과 같은 경량 부품을 설계하는 데 널리 사용됩니다(그림 26 참조). 토폴로지 최적화는 연비와 안전성을 향상시키는 더 강하고 가벼운 부품을 만드는 데 도움이 됩니다.

그림 21: 자동차 섀시 토폴로지 최적화

• 항공우주 산업: 구조적 무결성 및 무게 감소

항공우주 산업에서는 Abaqus의 최적화 기술을 사용하여 가볍지만 강력한 항공기 구조를 설계하고, 연료 소비를 줄이고 성능을 향상시킵니다(그림 22 참조).

그림 22: 결과 토폴로지, 실제 설계 및 비행기 날개 앞부분 제조

• 토목공학: 건물 및 교량 구조 최적화

토목공학에서 Abaqus는 다리와 건물과 같은 대규모 구조물의 최적화를 가능하게 하여 효율성과 내구성을 모두 보장합니다.

결론

이 블로그 게시물에서는 Abaqus에서 사용 가능한 최적화 기법을 살펴보았으며, 특히 위상 최적화에 중점을 두었습니다. 위상 최적화와 형상 최적화의 기본적인 차이점을 살펴보았습니다. 위상 최적화는 재료 레이아웃을 조정하는 반면, 형상 최적화는 구조물의 경계를 미세하게 조정합니다. 프로젝트에 적합한 방법을 선택할 때 이러한 차이점을 이해하는 것이 중요합니다.

그런 다음 Abaqus에서 CAE 인터페이스와 키워드를 사용하여 위상 최적화를 수행하는 방법을 살펴보았습니다. 위상 최적화를 통해 엔지니어는 강도와 성능을 유지하면서 더 가볍고 효율적인 설계를 구현할 수 있습니다. Abaqus에서 최적화 프로세스를 설정하고 제어하는 방법을 배우면 시뮬레이션을 개선하고 더 나은 설계 결과를 얻을 수 있습니다.