Optimización topológica de un elemento estructural plano diseñado en material compuesto

Abstract

Este trabajo desarrolla la optimización de una placa estructural diseñada en material compuesto laminado, que forma parte de un sistema estructural mayor. Esta pieza se integrará posteriormente a otras para obtener la funcionalidad deseada. El objetivo fundamental es la definición de un proceso de diseño de elementos estructurales laminados fabricados en materiales compuestos. Para ello se hace uso de herramientas existentes para la definición y análisis de los distintos casos de carga y se utiliza la optimización topológica para obtener una pieza estructural optimizada de forma que atendiendo a las características mecánicas deseadas se use el mínimo material necesario. Para realizar dicha optimización se emplea el módulo de software OptiStruct® dentro del programa de simulación HyperWorks® de Altair, basado en el Método de los Elementos Finitos. El uso de esta herramienta no exime de la necesidad de tomar ciertas decisiones en el proceso de optimización, tales como la selección de las distintas orientaciones de las diferentes capas de un laminado, las densidades de modelización a utilizar, el criterio de optimización, el guiado de la evolución iterativa del modelo durante el proceso de optimización y la elección de la densidad relativa definitiva.

Lan honek material konposatu laminatuan diseinatutako egitura-plaka baten diseinuaren optimizazioa garatzen du, egitura sistema handiago baten parte dena. Geroago pieza hau beste batzuekin integratuko da nahi den funtzionaltasuna lortzeko. Oinarrizko helburua material konposatuez egindako egitura-elementu laminatuetarako diseinu-prozesu bat zehaztea da. Horretarako karga-kasu desberdinak definitzeko eta aztertzeko dauden tresnak erabiliko dira eta egitura-optimizazio topologikoare bidez, nahi diren ezaugarri mekanikoak ematen dituen egitura-pieza optimizatua lortuko da, material gutxiegi erabiliz. OptiStruct® software modulua erabiltzen da, Altairren HyperWorks® simulazio programaren barruan dagoena. Honek eEementu Finituen Metodoan oinarrituta dago. Tresna hau erabiltzeak ez du salbuesten optimizazio-prozesuan zenbait erabaki hartu beharrik, hala nola laminatu baten geruza ezberdinen orientazio desberdinak, modelatze-dentsitateak eta optimizazio-irizpideak hautatzea, piezaren garapen iteratiboa guidatzea optimizazio prozezuan zehar eta azken dentsitate erlatiboa aukeratzea.

This work develops the optimization of a structural plate designed in laminated composite material, which is part of a larger structural system. This piece will later be integrated with others to obtain the desired functionality. The fundamental objective is the definition of a design process for laminated structural elements made of composite materials, using existing tools for the definition and analysis of the different load cases and using structural topological optimization to obtain an optimized structural. Thus, the desired mechanical characteristics will be fulfilled using the minimum necessary material. To carry out the optimization, OptiStruct® software module is used within Altair's HyperWorks® simulation program, based on the Finite Element Method. The use of this tool does not exempt from the need to make certain decisions in the optimization process, such as the selection of the different orientations of layers of a laminate, the modelling densities to be used, the optimization criteria, the guiding of the iterative evolution of the model during the optimization process and the choice of the final relative density.