Técnicas aplicadas en optimización topológica para la obtención de mecanismos compliant distribuidos

Resumen

En el diseño de mecanismos compliant, uno de los mayores retos es el control del efecto bisagra (hinge-effect). Los mecanismos compliant transmiten fuerza/movimiento sin uniones articuladas entre piezas, ya que son composiciones monolíticas. La salida del mecanismo depende directamente de la deformación del mismo, y esta a su vez de la geometría y las cargas aplicadas. Por lo tanto, afinar la geometría de un compliant es esencial para ajustar su comportamiento, sin poner en riesgo su integridad estructural durante el funcionamiento.

Los mecanismos compliant con mayor efecto bisagra poseen una geometría caracterizada por partes rígidas unidas entre sí por pequeñas zonas muy esbeltas de material que actúan como bisagra. Esta configuración alcanza grandes desplazamientos con precisión, pero concentra tensiones en las zonas de bisagra. Por otra parte, los mecanismos con menor efecto bisagra (compliant distribuido) poseen una geometría con transiciones más suaves, evitando puntos de concentración de tensión en el mecanismo y posibles fallos mecánicos.

Los mecanismos compliant suelen tener formas complejas que no son intuitivas, por lo que la optimización topológica es una herramienta muy útil para el diseño de estos mecanismos. Los algoritmos de optimización topológica tienden a generar diseños más afines a los basados en bisagras. Problemas ya conocidos en el campo de la optimización topológica, como el efecto ajedrez, favorecen este tipo de soluciones. A pesar de que existen técnicas documentadas que ayudan a evitar estos efectos, como son los filtros de sensibilidades de la función objetivo, no son suficientes para generar soluciones sin zonas locales de concentración de tensiones.

Se ha desarrollado un código Python de optimización topológica que utiliza el programa ABAQUS como entorno gráfico y solver de elementos finitos para la generación de mecanismos compliant. La herramienta creada es versátil y potente, el entorno gráfico facilita el diseño de volúmenes de partida complejos y el solver permite simular piezas 2D y 3D con mallados finos para un mayor detalle de la solución. Los diseños optimizados se pueden simular en ABAQUS con condiciones reales o exportar a cualquier programa CAD para su post proceso y preparación para fabricación.

Se presenta una metodología que potencia las soluciones compliant distribuidas. La estrategia desarrollada utiliza por una parte la función objetivo y sus sensibilidades para encontrar la mejor distribución de material posible, pero minimizando con técnicas inspiradas en tratamiento de imagen el efecto bisagra de dicha distribución.

El código desarrollado se ha mejorado y validado con ejemplos bibliográficos hasta obtener resultados satisfactorios en el diseño de mecanismos compliant distribuidos. Se presentan las técnicas y mejoras que se han implementado, ejemplos de resultados actuales que produce la herramienta y una comparativa entre un caso con y sin mejoras aplicadas.