Com o crescente desenvolvimento das indústrias automotiva e aeroespacial, o design leve dos fixadores como elementos de conexão críticos tornou-se um foco de pesquisa. Os métodos tradicionais de projeto tendem a se concentrar na resistência e estabilidade, resultando em um peso elevado dos fixadores, o que não é vantajoso para melhorar a eficiência energética do produto. Nos últimos anos, técnicas de otimização topológica têm mostrado grande potencial para o projeto de fixadores leves. Este trabalho detalha a aplicação da técnica de otimização topológica no projeto leve de fixadores e verifica o efeito prático do método através de um estudo de caso.
A otimização topológica é uma abordagem de projeto baseada em modelagem matemática que busca a melhor solução de projeto que atenda a determinadas restrições, otimizando a distribuição de materiais e o layout da estrutura. No projeto leve de fixadores, a otimização topológica é capaz de determinar a distribuição de materiais em pontos críticos, reduzindo o uso de materiais redundantes e, assim, atingir os objetivos de leveza.
Muitos fatores devem ser considerados para o design leve dos fixadores, como resistência, estabilidade, resistência à corrosão, etc. Para atender a esses requisitos, os seguintes passos podem ser utilizados para o projeto de otimização topológica:
Construção do modelo: primeiro, um modelo tridimensional do fixador é construído e a área de otimização é determinada.
Defina as restrições: de acordo com o cenário de aplicação real, defina as restrições do projeto ideal, como tensão máxima, estabilidade mínima, etc.
Algoritmos de otimização: os algoritmos de otimização adequados são selecionados, como algoritmos genéticos, enxada de partículas, etc., e o modelo é otimizado iterativamente.
Avaliação dos resultados de otimização: o grau de leveza e o desempenho do projeto são avaliados através da análise dos resultados de otimização.
Projeto estrutural de acordo com os resultados de otimização: de acordo com os resultados de otimização topológica, a estrutura dos fixadores é redesenhada.
Um parafuso em um bloco de motor de um veículo é utilizado para o projeto de leveza por otimização topológica. Sob a premissa de garantir a força e a estabilidade dos parafusos, o algoritmo de otimização é iterativamente resolvido e, finalmente, o efeito de redução de peso de 20% é alcançado, o que melhora muito a eficiência energética do motor. Ao mesmo tempo, a estrutura de parafuso otimizada é mais compacta, o que reduz os custos de produção.
Embora a metodologia de projeto leve de fixadores baseada na otimização topológica tenha obtido resultados significativos em alguns casos, ainda existem alguns problemas e desafios. Em primeiro lugar, a eficiência e a precisão do algoritmo de otimização afetam diretamente o resultado do projeto. Como selecionar o algoritmo adequado e melhorá-lo é um problema urgente. Em segundo lugar, os parâmetros de propriedades dos materiais envolvidos no processo de otimização topológica muitas vezes precisam ser obtidos experimentalmente, e como exatamente esses parâmetros podem ser obtidos e aplicados no processo de otimização também devem ser considerados. Finalmente, os fixadores após o design leve podem enfrentar dificuldades de processo e desafios técnicos durante a produção e fabricação. Como superar esses problemas e alcançar a produção em massa também é uma questão que precisa ser mais explorada.
O presente trabalho apresenta e discute detalhadamente o projeto leve de fixadores baseado na otimização topológica, demonstrando as vantagens e o potencial deste método para alcançar a leveza de fixadores. Embora o método ainda apresente alguns problemas e desafios, acredita-se que, com o contínuo avanço da tecnologia e a aplicação de novos materiais, esses problemas serão gradualmente resolvidos e o método de projeto leve de fixadores baseado na otimização topológica será mais amplamente utilizado.
