Topologian optimointi nousee ajoittain insinöörikunnan puheenaiheeksi. Viimeisimmän nousun siivittäjänä on varmasti toiminut 3D-tulostus. Kun valmistusmenetelmä ei ainakaan teoriassa ole este, voidaan turhan materiaalin toimittaminen lopettaa ja hyödyntää kaikki kevenemisestä saatavat hyödyt.
Topologian optimointi on rakenteiden optimointia lähes ilman rajoitteita. Rakenteen muotoa ei siis etukäteen lukita, vaan annetaan optimointirutiinin kertoa, missä materiaali on hyödyllisimmillään. Käytännössä tuloksena on verkkomainen kolmiulotteinen ristikkorakenne, jossa kaikki voima pyritään kantamaan puristus tai vetosauvoilla.
Nykyään on käytössä useampia kaupallisia ohjelmistoja, jotka tarjoavat mahdollisuuden toteuttaa näitä optimointitehtäviä helposti. Tyypillinen toimintatapa on, että mallinnetaan jokin hahmotelma tuotteesta, joka on varmasti isompi kuin tarvittava rakenne ja sitten kerrotaan, mistä kohtia materiaalia saa poistaa ja mistä ei. Käytännössä siis liityntäpintojen kohdalla ainakin tarvitaan materiaalia.
Käytännössä saatu geometria ei sellaisenaan kelpaa valmistettavaksi johtuen hyvin pienipiirteisistä tai silmään sopimattomista muodoistaan. Tällöin pätevä pintamallintaja voi optimoitua rakennetta hyödyntäen mallintaa lopullisen rakenteen. Suunnittelijan vastuulle jää myös käytettävissä olevan tilan jakaminen eri osien kesken ja osien rajapintojen määrittely. Työkalun avusta huolimatta tarvitaan ammattilaisia suunnittelijoita, mutta osaaminen tulevaisuudessa saattaa painottua toisin kuin nykyään.
Vaikka kone ja ohjelmat suorittavatkin optimoinnin itsestään, vastaavat ne vain kysymyksiin, joita suunnittelija esittää. Suunnittelijan tulee siis tietää tarkkaan, millä rajoitteilla optimointi tehdään ja miten nämä rajoitteet ohjelmalle kerrotaan. Rajoitteita muodostavat muun muassa kuormitustapaukset, joita rakenteen on kestettävä. On siis luonnollista, että vähintään yhdellä suunnittelutiimin jäsenellä on hyvä osaaminen rakenteiden analysoinnista. Suunnittelutiimillä pitää olla myös hyvä käsitys siitä, miten rakennetta tullaan käyttämään huomioiden myös mahdolliset onnettomuudet ja vastaavat poikkeukselliset tilanteet.
Ohjelmien käyttäminen kaikkein yksinkertaisimpien kolmionmuotoisten kannakkeiden optimointiin ei liene järkevää, koska keskimääräinen suomalainen insinööri päässee kutakuinkin samaan lopputulokseen ilman optimointiohjelmaakin. Käytöstä suurimman hyödyn saa monimutkaisemmissa osissa, joiden kuormituskin on monimutkainen. Kuormitustapausten valinta topologiseen optimointiin on jopa tärkeämpää kuin perinteiseen todistavaan laskentaan. Koska rakenne optimoidaan vain mukaan otettujen kuormitustapausten perusteella, jää sen lujuus huomioimatta jätetyissä tapauksissa perinteistä rakennetta heikommaksi. Tämä johtuu piilovarmuuden poistamisesta, mikä on optimoinnin tavoite.
Optimoinnin todellinen hyödyntäminen asettaa suuremmat vaatimukset rakenteen toiminnan ymmärtämiselle ja suunnitteluprosessille kuin perinteisten rakenteiden käyttö. Samasta syystä varmuuskertoimien valinta on kriittisempää. Optimoinnin hyödyntäminen riskitasoa tai varmuustasoa kasvattamatta vaatii suurempaa ymmärrystä rakenteen käytöstä sisältäen kaikki mahdollinen väärinkäyttö ja onnettomuustilanteet.
On täysin mahdollista, että optimointi muuttaa rakenteen vauriomuotoa nurjahduksen, väsymisen tai värähtelyongelmien suuntaan. Aikaisemmin nämä on mahdollisesti voinut sivuuttaa, koska perinteinen rakenne on automaattisesti täyttänyt vaatimukset. Optimoinnin tehokkaaseen hyödyntämiseen tarvitaan varmasti käyttöönottoprosessi, kuten muidenkin uusien työkalujen kanssa. Prosessissa on selvitettävä miten hyvin yritys tuntee tuotteensa ja paikattava mahdollisia aukkoja. Myös osaaminen rakenteiden analyysiin ja pintamallinnukseen kannattaa laittaa kuntoon, vaikka jo etukäteen. Tämän jälkeen ollaan taas askelta lähempänä optimaalisia tuotteita asiakkaalle toimitettavaksi.
Teksti: Ville Westerlund
Kuva: Learchitecto (stock.adobe.com)