Academic literature on the topic 'Ottimizzazione topologica'

L’attività svolta in questa tesi prevede l’ottimizzazione topologica di un componente aeronautico. In particolare, ho effettuato lo studio su un supporto per una telecamera, che verrà poi fissato ad un elicottero utilizzato per cercare persone disperse oppure per soccorso e sorveglianza. Nella tesi è stata svolta una analisi strutturale della attuale struttura e successivamente è stata implementata l'ottimizzazione topologica sfruttando un codice di calcolo FEM a disposizione dei laboratori universitari. Il risultato ottenuto in seguito alla ottimizzazione topologica è una struttura sensibilmente più leggera di quella originale.

Questo elaborato di tesi concerne l'utilizzo del metodo di ottimizzazione topologica applicato ad un telaio motociclistico con lo scopo di minimizzarne la massa ed aumentarne la rigidezza, considerando due tecnologie di realizzazione: additive manufacturing in lega di alluminio e tubolare saldato in acciaio legato.

Il lavoro di questa tesi presenta il risultato di una attività di sperimentazione su alcuni algoritmi di ottimizzazione topologica recentemente sviluppati in ambito scientifico e descritti in pubblicazioni su riviste internazionali. L’ottimizzazione topologica può essere definita come una tecnica che mira a variare la forma geometrica di un oggetto bidimensionale o tridimensionale in modo da rispettare requisiti su posizionamento di vincoli e applicazione di forze e da minimizzare l’impiego di materiale necessario ad ottenere una struttura che soddisfi alcuni requisiti. Il settore aerospaziale è sicuramente uno di quelli che può beneficiare di questa metodologia visto che è sempre necessario progettare componenti leggeri e quanto più ottimizzati riducendo gli sprechi di materiale; in ambito aeronautico questo porta ad incrementare l’autonomia ed il carico utile riducendo i costi ambientali ed economici delle attività di trasporto. Discorso analogo vige per il campo spaziale in cui i pesi sono cruciali per la scelta del lanciatore da utilizzare per mandare in orbita strumentazioni e impattano in maniera importante sui costi delle missioni. In questa tesi, dopo una breve descrizione delle tecniche di ottimizzazione topologica prese in considerazione nei test svolti, sono presentati i risultati dell'applicazione di questi metodi ad una serie di specifici casi applicativi del settore aerospaziale, mettendo in risalto i risultati in termini di forme geometriche ottenute per alcuni casi di studio. Per ognuno di questi è descritta la schematizzazione seguita a livello di vincoli e di carichi e la dimensione della superficie o volume di controllo di partenza. Gli esiti del processo di ottimizzazione sono poi commentati, sia a livello di conformazione geometrica ottenuta che di possibilità di implementare dal punto di vista costruttivo la forma trovata.

Lo scopo dell'elaborato è valutare come possa essere affrontata la progettazione di un generico componente aerospaziale utilizzando la tecnica dell’ottimizzazione topologica. Vengono studiate tre differenti soluzioni per la progettazione dello stesso componente in base al requisito che si vuole rispettare: massimo spostamento, massima tensione e minima frequenza propria. A seconda dell’applicazione può essere dominante infatti uno di questi criteri: il contenimento della deformazione può evitare perdita di funzionalità, il rispetto di requisiti sulla tensione massima assicura la funzionalità del componente, mentre, in alcune applicazioni tipiche del campo aerospaziale e automotive, può essere importante evitare che un componente presenti frequenze di risonanza vicine a valori noti a priori. Per verificare come cambiano le forme del componente ottimizzato a seconda del tipo di criterio, sono stati studiati e successivamente modificati due codici Matlab presenti in letteratura, che sono stati implementati e modificati in modo da poter eseguire le tre differenti simulazioni. Il caso di studio scelto è una trave di dimensione 300x100x25mm, realizzata in alluminio 2024, con un incastro in un’estremità e con un carico applicato all’estremità opposta. Utilizzando l’ottimizzazione topologica è stato possibile ridurre il peso della struttura in percentuale pari al 20% rispetto ad un componente tradizionale completamente pieno.

Il presente elaborato descrive l’innovativa applicazione di un algoritmo di ottimizzazione topologica ad uno studio di fattibilità per la modifica della struttura interna di un velivolo tuttala a pilotaggio remoto (UAV, Unmanned Aerial Vehicle) progettato alcuni anni fa per missioni di protezione civile. La struttura originaria del velivolo era prevista in polistirene espanso tagliato con filo caldo, con una sottile copertura in materiale composito. In questa tesi si è voluto studiare la fattibilità della realizzazione della struttura in polimero ASA (Acrilonitrile Stirene Acrilato) attraverso stampa FDM. In primo luogo è stata eseguita un'analisi fluidodinamica preliminare del velivolo mediante CAD SolidWorks al fine di stimare una distribuzione verosimile delle pressioni agenti sul velivolo durante il volo. In seguito è stata svolta l'ottimizzazione topologica della struttura del velivolo utilizzando l'apposito modulo CAD SolidWorks. Al termine dell'ottimizzazione è stata ottenuta una struttura reticolare complessa molto leggera e resistente, compatibile con la costruzione in additive manufacturing e non con tecniche di lavorazione tradizionali. L’applicazione della ottimizzazione topologica ha permesso di ridurre il peso della struttura del velivolo di circa l’80% rispetto ad una soluzione costruttiva in cui l’ala è completamente piena in ASA.

In questa tesi sono trattate la produzione e l'ottimizzazione di paratie di pressurizzazione di velivoli commerciali. Sono stati confrontati i dati inerenti alla piegatura della paratia provenienti dall'equazione analitica e dall'analisi FEM, mentre, per quanto riguarda l'ottimizzazione, è stato effettuato uno studio sui rinforzi alla ricerca della soluzione migliore in termini di peso e di distribuzione delle tensioni.

Lo scopo di questa tesi prevede l'implementazione di un'interfaccia grafica utilizzando il linguaggio di programmazione MATLAB per favorire l’utilizzo di un codice per l'ottimizzazione topologica disponibile in letteratura ad utenti non esperti di programmazione. La funzione presa in esame è infatti in grado di risolvere problemi di ottimizzazione topologica in tre dimensioni di diversa tipologia. L'intento è quello di creare un collegamento tra utente e programma di ottimizzazione evitando all’utente la necessità di dover programmare linee di codice per simulare casi di studio reali così da rendere il suo utilizzo quanto più intuitivo e semplice possibile. Ho quindi implementato un'interfaccia grafica in grado di supportare l’utente nell’inserimento di dati necessari a definire un caso di studio, costituito dalla selezione di un volume di controllo, dal posizionamento di forze e dalla indicazione dei punti da vincolare. La funzionalità dell’interfaccia è stata verificata attraverso alcuni casi di studio in cui sono state schematizzate delle strutture reali. Bisogna però ricordare come i risultati ottenuti utilizzando le funzioni di ottimizzazione topologica siano utili a suggerire ai progettisti configurazioni geometriche dei componenti lontane da quelle a cui l’ingegnere è abituato a pensare. L'ottimizzazione topologica può quindi essere considerata un ottimo strumento per suggerire al progettista un'idea di possibile configurazione finale di una parte che è fase di progettazione: noti carichi, vincoli ed eventuali zone di vuoto, l'ottimizzazione topologica può essere utilizzata per ottenere strutture con un vantaggioso rapporto resistenza/peso. L’utilizzo dell’interfaccia risulta essere semplice ed intuitivo ed i risultati ottenuti a livello di strutture finali presentano forme ottimizzate con una geometria tale da richiedere tecniche di fabbricazione additiva.

In questo elaborato di laurea ho avuto l’occasione di mettere in pratica nozioni riguardati lo studio dei modelli matematici e delle tecniche numeriche che stanno alla base dell’ottimizzazione topologica, nonché anche le tecniche utilizzate per evitare problemi numerici che inficiano la validità dei risultati, quali mesh dependency e checkerboard patern. Questi concetti sono legati alle tecniche di ottimizzazione topologica: si tratta di una tecnica con cui si modifica la forma di un corpo in modo da eliminare il materiale che non contribuisce alla rigidezza, alla resistenza alle sollecitazioni, oppure all’ottenimento di determinate frequenze di risonanza.

Al fine di diminuire il peso dell’aeromobile e quindi i consumi, si cercano strutture più efficienti e quindi leggere. Le tecniche di stampa 3D, che si stanno sviluppando in questi anni, consentono di non avere più limiti sulla forma delle strutture portando a geometrie più complesse e performanti. Quindi è possibile, da una parte, ispirarsi alle strutture naturali, come lo scheletro umano, per progettare strutture leggere e allo stesso tempo robuste, dall’altra riprogettare le strutture esistenti alla luce delle nuove tecniche di produzione, attraverso l’analisi topologica. Questo lavoro di tesi ha lo scopo di definire lo stato dell’arte di queste nuove tecnologie nel campo aeronautico, in particolare per gli aeromobili commerciali di nuova generazione. Per dimostrare l’efficacia di queste nuove tecnologie si è considerato come caso di studio il supporto di un sedile aeronautico, componente strutturale secondario di un aeromobile.

In questo elaborato è stato sviluppato un modulo di ottimizzazione topologica in ambiente FreeCad. Il codice sviluppato presenta tutte le funzionalità necessarie al fine di poter essere impiegato per la progettazione e l'ottimizzazione di un qualsiasi componente aerospaziale, massimizzando leggerezza ed efficienza strutturale. Come prima cosa, attraverso un’approfondita ricerca bibliografica, sono stati studiati dal punto di vista teorico i metodi di ottimizzazione topologica di maggiore importanza; successivamente sono stati analizzati due algoritmi opensource disponibili per la comunità scientifica, e di questi sono stati evidenziati i problemi e le limitazioni. In secondo luogo, è stato scritto in Python un algoritmo di ottimizzazione topologica con caratteristiche tali da superare le limitazioni di quelli analizzati precedentemente e da presentare tutti i requisiti necessari per ottenere un codice efficiente e ad alte prestazioni. Al fine di rendere il modulo utilizzabile da tutti coloro che ne volessero usufruire, è stata realizzata un’interfaccia grafica nel CAD FreeCad semplice ed intuibile, in modo da poter accedere a tutti i parametri da definire per lo svolgimento dell’ottimizzazione. Per finire, l’algoritmo è stato testato attraverso due casi di studio allo scopo di valutare: le prestazioni, la forma del modello geometrico fornito alla fine dell’ottimizzazione in alcuni casi tipici e l’attendibilità dei risultati numerici relativi ai casi di valutazione.