彷生學 Soft Kill Option 消除優化法 (SKO)

彷生學 Soft Kill Option 消除優化法 SKO

https://de.wikipedia.org/wiki/SKO_(Bionik)

Das SKO-Verfahren (Soft Kill Option) basiert, wie das CAO-Verfahren (CAO: Computer Aided Optimization), auf der Simulation der Wachstumsregel von biologischen Kraftträgern und ist demnach eine Methode aus dem Bereich der Bionik.

Im Gegensatz zum CAO-Verfahren wird jedoch die Wachstumsregel nicht nur auf die Oberfläche eines Bauteils angewendet sondern auch auf den inneren Bereich. Das bedeutet, dass Löcher innerhalb des Bauteils entstehen können. Da sich durch das Einbringen von Löchern mathematisch gesehen die Topologie des Bauteils ändert, spricht man bei dieser Art der Optimierung von Topologieoptimierung. Dabei ist es ein besonderes Merkmal der Topologieoptimierung, dass die Löcher nicht über die Form des Netzes des Finite-Elemente-Modells (FEM) abgebildet, sondern innerhalb des Netzes über eine Materialeigenschaft der einzelnen Elemente, den E-Modul simuliert werden. Der E-Modul ist ein Maß für die Steifigkeit und kann in jedem Element des FEM-Netzes individuell variiert werden. Ist der E-Modul sehr klein, ist das Element sehr weich und verhält sich dadurch physikalisch wie ein Loch. Hat es dagegen den Wert des verwendeten Materials, ist es massiv und zeigt das gewünschte Materialverhalten. Die Wachstumsregel bestimmt dabei, welchen Wert die einzelnen Elemente erhalten oder, in anderen Worten, wo Löcher entstehen sollen und wo nicht. Das Maß ist dabei - wie beim CAO-Verfahren - die Differenz zwischen der Spannung des einzelnen Elements ${\displaystyle \sigma }$ und der Referenzspannung ${\displaystyle \sigma _{\text{ref}}}$. Sie dient als Maß dafür, wie stark und in welcher Richtung der E-Modul in einem Wachstumszyklus modifiziert werden muss.

${\displaystyle E^{\text{neu}}\sim =E^{\text{alt}}+s(\sigma -\sigma _{\text{ref}})}$

Das Verfahren wird abgebrochen, wenn sich eine stabile Struktur herausgebildet hat. Da bei SKO die biologische Wachstumsregel simuliert wird, liefert dieses Verfahren eine Struktur mit homogener Oberflächenspannung. Es ist demnach, wie CAO, für Festigkeitsprobleme geeignet.

Auf Grund der Tatsache, dass die Form bei der Topologieoptimierung allein über die Verteilung einer Materialeigenschaft beschrieben wird, ist diese Art von Optimierung sehr flexibel. Da jedoch das Material nur elementweise hinzugefügt oder entfernt werden kann, erhält man im Gegensatz zum CAO-Verfahren kein detailliertes Design, sondern einen Designvorschlag, der sehr grob sein kann. Weiterhin kommt erschwerend hinzu, dass das ermittelte Design nicht nur Elemente mit maximalem und minimalem E-Modul aufweist, sondern auch solche mit Zwischenwerten. Um den massiven Bereich graphisch darstellen zu können, muss der Anwender deswegen festlegen, ab welcher Grenze ein Element als massiv anzusehen ist.

Designprozess, in dem am Anfang die Topologieoptimierung steht und erst danach unter Verwendung des Designvorschlags eine Konstruktion des Bauteils erfolgt