Bild: Strukturoptimering av en L-formad balk med globala spänningsbivillkor. Illustration Erik Holmberg (c).
Ingenjörer inom maskin- och byggnadskonstruktion har alltid strävat efter att utnyttja material på ett så effektivt sätt som möjligt, till exempel genom att skapa konstruktioner som är så lätta som möjligt, under förutsättning att de fortfarande klarar de laster de utsätts för. Att minska materialåtgången är önskvärt ur såväl praktiska som ekonomiska och miljömässiga hänseenden.
Tidigare bedrevs utvecklingen av mer effektiva konstruktioner i stor utsträckning genom en metodisk, men i grunden prövande och intuitiv process. Under de senaste decennierna har dock nya beräkningsverktyg utvecklats, baserade på optimeringsteknik, som möjliggör en mer eller mindre automatisk framtagning av optimala konstruktioner. Detta forskningsfält benämns strukturoptimering.
Optimal användning av material
Vid avdelningen för mekanik och hållfasthetslära på Linköpings universitet utvecklar forskare strukturoptimeringsverktyg baserade på finita elementmetoden, där konstruktioner optimeras genom geometriska och materialmässiga modifieringar.
En särskilt kraftfull metod är topologioptimering, som utgår från en generell geometrisk beskrivning där designområdet delas in i finita element. Varje element kan antingen ingå i den slutliga konstruktionen eller inte. Genom en högupplöst indelning kan man ta fram lastbärande strukturer som är avsevärt mer effektiva än de som utvecklats med traditionella metoder.
Ett särskilt intressant utvecklingsspår är att kombinera strukturoptimering med additiv tillverkning – även kallad friformsframställning med 3D-skrivare – vilket är en av våra pågående forskningsinriktningar. Vi utforskar även möjligheten att betrakta biologisk tillväxt, såsom kroppens anpassning av benstruktur och bendensitet till belastning, som en form av optimeringsprocess.
