Master's Thesis

Topology optimisation using lattice structures

Final Thesis 8.77 MB Appendix 68.8 kB

Author of thesis: Ing. Martin Černák

Acad. year: 2021/2022

Supervisor: Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D.

Abstract:

This thesis aimed to develop and verify the methodology for lattice topology optimization, which deals with additive manufacturing specifications and is independent of the optimization solver.
The developed methodology uses the SIMP topology optimization algorithm. The penalization factor used for a solution is based on the mechanical properties characterizing arbitrarily chosen unit cell. These are identified using the homogenization method applied to the real geometry specified by 3D optical digitization. Verification is based on FEA using the variable homogenized properties. The local stress response is simulated by submodeling technique.
The methodology was verified by optimizing the braking shield bracket of a plane. The optimized part is 22 % lighter and 31 % stiffer than the original solution.
Results of the thesis demonstrate that the proposed methodology is suitable for structural part optimization and allows us to use lattice structures together with topology optimization and additive manufacturing relatively easily, not only in the space industry.

Keywords:

Topology optimization, Lattice structures, Additive manufacturing

Date of defence

16.06.2022

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Obhajoba práce: Student prezentoval svoji práci a odpověděl na otázky oponenta: 1) V kapitole 5.1.2 jste jako vhodný penalizační faktor určil podle kapitoly 4.3.1 hodnotu 2,68. V kapitole 6.1.1. pro detailní návrh používáte penalizační faktor 2,28. V čem přesně spočívá rozdíl? - odpovězeno 2) Pro hodnocení stavu napjatosti používáte srovnávací napětí vonMieses. Vysvětlete, zda by nebylo vhodnější použít 1. a 3. hlavní napětí - max. principal stress a min. principal stress. - odpovězeno 3) Kde vidíte další možnosti pro vývoj optimalizačních metod založených na využití mikroprutových struktur? - odpovězeno Doc. Vimmr: Dokážete odhadnout, jak dlouho trval Váš optimalizační výpočet, kde je potenciál ke zrychlení? – odpovězeno Doc. Koutný: Jakým způsobem jste volil velikost buňky, nebyla by nějaká jiná velikost výhodnější? – odpovězeno – odpovězeno Doc. Polach: Jsou výrobní nepřesnosti zahrnuté ve výsledné struktuře? – odpovězeno Ing. Dočekalová: Nárůst hmotnosti a tuhosti se bude nějak ověřovat? – odpovězeno Prof. Hartl: Brzdící štít je pod křídlem či za kabinou? Jaká je cena původního a nového dílu? – odpovězeno Doc. Horák: Komentář – aplikace u letadla není úplně nejlepší a je velká škoda, že nebyla součást reálně testována. – odpověď.

Language of thesis

Slovak

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Machine and Industrial Design

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)
Ing. Kateřina Dočekalová, Ph.D. (člen)
doc. Dr. Ing. Pavel Polach (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D.

Autor diplomové práce navazuje na svou bakalářskou práci, v které se zabýval topologickou optimalizací s využitím mikro-prutových struktur a objevil při ní několik omezení a problémů, které jsou spojeny s komerčně dostupnými řešeními. Většinu těchto omezení se rozhodl vyřešit v rámci své diplomové práce a utvořit tak pracovní postup, který by umožňoval efektivní a relativně přímočarou tvorbu optimalizovaných geometrií. Jako demonstrační úloha byla vybrána konzola z leteckého průmyslu, která je de facto staticky namáhána a při jejím provozu se neuvažuje únava.
Práce začíná důkladnou rešerší, která se stala podkladem pro vyřešení několika kritických míst. Student prokázal velmi dobrou orientaci v tématu a byl schopný řešit problémy i na úrovni matematických formulací optimalizačních problémů. Během jeho práce se mu podařilo vyřešit (i) problém se vstupními daty, která odvodil z experimentálních měření, (ii) problém s hardwarově náročnou prací se strukturovaným materiálem, kdy použil software nTopology s implicitní reprezentací geometrie, (iii) komplikace s přenosem dat mezi jednotlivými softwary, kdy data upravoval pomocí speciálních skriptů v prostředí Python, a na závěr (iv) velký problém s pevnostní kontrolou výsledné geometrie, pro kterou použil globální homogenizační přístup s detailní analýzou kritických míst pomocí submodelingu.
Všechna výše zmíněná řešení navrhl student sám a při celé práci byl velice samostatný. Demonstrační díl se podařilo úspěšně vyrobit a bude nad rámec diplomové práce fyzicky otestován a porovnán s analýzami pomocí metody konečných prvků. Objem odvedené práce je nadprůměrný, výsledky mají velkou přidanou hodnotu a počítá se s jejich publikací v impaktovaném časopise. Všech cílů bylo dosaženo a doporučuji práci k obhajobě s hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D.

Předloženou diplomovou práci jsem si se zájmem přečetl a konstatuji, že cíle práce stanovené v zadání student beze zbytku splnil. Ve vlastní práci student píše i o vytvoření metodiky pro optimalizaci mikroprutových struktur, zde konstatuji, že v práci je popsána, ale nemá charakter ucelené části textu nebo kapitoly, což je trochu škoda, významně by to zvýšilo praktický přínos práce a originální přínos studenta. Práce je přehledná a logicky uspořádaná. V závěrečné části postrádám jednoduché grafické schéma, vystihující podstatu vytvořené metodiky optimalizace mikroprutových struktur, předpokládám, že bude uvedeno při obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V kapitole 5.1.2 jste jako vhodný penalizační faktor určil podle kapitoly 4.3.1 hodnotu 2,68. V kapitole 6.1.1. pro detailní návrh používáte penalizační faktor 2,28. V čem přesně spočívá rozdíl?
  2. Pro hodnocení stavu napjatosti používáte srovnávací napětí vonMieses. Vysvětlete, zda by nebylo vhodnější použít 1. a 3. hlavní napětí - max. principal stress a min. principal stress.
  3. Kde vidíte další možnosti pro vývoj optimalizačních metod založených na využití mikroprutových struktur?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová