Проектирование силовых конструкций с использованием топологической оптимизации и технологии аддитивного производства
Автор: Ткаченко И.С., Куркин Е.И., Лукьянов О.Е., Кишов Е.А., Галинсога-самора Х., Смелов В.Г., Чертыковцева В.О.
Журнал: Онтология проектирования @ontology-of-designing
Рубрика: Прикладные онтологии проектирования
Статья в выпуске: 4 (46) т.12, 2022 года.
Бесплатный доступ
Целью работы является создание интегрированной технологии проектирования силовых конструкций с использованием топологической оптимизации и аддитивного производства, а также её апробация на примере конкретной задачи проектирования и изготовления конструкции аэрокосмического назначения. Предлагаемая технология включает основные этапы проектирования, учитывающие особенности аддитивного производства. В системе ANSYS спроектирована силовая схема конструкции на основе топологической оптимизации. Для уточнения размеров и формы силовых элементов конструкции использован модуль, позволяющий оптимизировать геометрическую модель конструкции путём смещения узлов расчётной сетки модели. Результаты поверочного расчёта показали, что спроектированная конструкция имеет значительно меньшую массу по сравнению с прототипом и не уступает ему по жёсткости, прочности и минимальным значениям частот собственных колебаний. Показана реализация производственного процесса для создания заготовки образца конструкции с использованием технологии селективного лазерного сплавления. Разработка 3D-модели заготовки образца конструкции выполнена в программном продукте Siemens NX . Для рассматриваемой конструкции применён метод компенсации остаточных напряжений на основе оптимизации теплоотводов на технологической платформе построения и метод предварительной коррекции геометрии заготовки детали в программном комплексе SimufactAdditive . Полученные результаты показывают возможности внедрения аддитивного производства совместно с топологической оптимизацией в конструкции космических аппаратов, в том числе в силовые конструкции их двигательных установок.
Проектирование, силовая конструкция, топологическая оптимизация, морфинг, прочностной расчёт, селективное лазерное сплавление
Короткий адрес: https://sciup.org/170197199
IDR: 170197199 | DOI: 10.18287/2223-9537-2022-12-4-532-546
Список литературы Проектирование силовых конструкций с использованием топологической оптимизации и технологии аддитивного производства
- Christensen P. W., Klarbring A. An introduction to structural optimization. Berlin: Springer, 2009, 214 p.
- Groth C., Chiappa A., Biancolini M.E. Shape optimization using structural adjoint and RBF mesh morphing. Procedia Structural Integrity, 8, 2018, P.379-389. DOI:10.1016/j.prostr.2017.12.038.
- Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology Optimization: Theory, Methods and Applications. New York: Springer, 2003, 271 p.
- Sigmund O., Maute K. Topology optimization approaches. Structural and Multidisciplinary Optimization. Springer. 2013. Vol.48. Iss 6. P.1031-1055. DOI:10.1007/s00158-013-0978-6.
- Tang Y., Zhao Y.F. A survey of the design methods for additive manufacturing to improve functional performance. Rapid Prototyping Journal, 3, 2016, P.571-573. DOI:10.1108/RPJ-01-2015-0011.
- Комаров А.А. Основы проектирования силовых конструкций. Куйбышев. книжное изд-во, 1965. 88 с.
- Bendsoe M.P., Kikuchi N. Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method. Comp. Methods in Appl. Mech.andEngineering. 1988. Iss.71. P.197-224.
- КомаровВ.А. Точное проектирование. Онтология проектирования, 2012, № 3(5), С.8-23.
- Komarov V.A., Kishov E.A., Kurkin E.I., Charkviani R.V. Aircraft Composite Spoiler Fitting Design Using the Variable Density Model, Procedia Computer Science. Vol. 65, 2015. P.99-106. DOI:10.1016/j.procs.2015.09.085.
- Hassani B., Hinton E. Homogenization and structural topology optimization. Berlin: Springer, 1999, 279 p.
- Euihark L. А strain-based topology optimization method. PhD Thesis, Graduate School-New Brunswick, New Jersey / Lee Euihark, 2011.
- Комаров В.А., Кишов Е.А. Анализ и интерпретация результатов топологической оптимизации на основе экспорта распределения материала в CAD формат. Тезисы докладов 16-й Международной конференции "Авиация и космонавтика", 2017, С.387.
- SIMP Method for Topology optimization. Dassault Systems, help.solidworks, 2022.
- Комаров В.А. Проектирование силовых аддитивных конструкций: теоретические основы. Онтология проектирования, Т.7, №2(24), 2017, С. 191-206. DOI: 10.18287/2223-9537-2017-7-2-191-206.
- Thomas M., Lambert O., Davoine C., Popoff F., Dupuy C., Peyre P., Dendievel R. Characterization of multiper-forated plates manufactured by SLM and EBM for aeroengine applications. In book: TMS 2017 146th Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings, 2017, P.61-70. DOI:10.1007/978-3-319-51493-2_7.
- Brenne F., Taube A., Probstle M., Neumeier S., Schwarze D. Microstructural design of Ni-base alloys for high-temperature applications: impact of heat treatment on microstructure and mechanical properties after selective laser melting. Prog Addit Manuf, 1(3-4), P.141-151. DOI:10.1007/s40964-016-0013-8
- Blakey-Milner B., Gradl P., Snedden G., Brooks M., Pitot J., Lopez E., Leary M., Berto F., duPlessis A. Metal additive manufacturing in aerospace: A review. Materials & Design, Volume 209, 2021, P.3-10. DOI:10.1016/J.MATDES.2021.110008.
- Boyard N., Christmann O., Rivette M., Richir S. A design methodology for additive manufacturing applied to fused deposition modeling process. Mechanics & Industry, 2019. 20(6). DOI:10.1051/meca/2019040.
- КвасовБ.И. Методы изогеометрической аппроксимации сплайнами. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006, 360 с.
- Игнатов М.И., Певный А.Б. Натуральные сплайны многих переменных. М.: Наука, 1991, 125 c.
- David F. Rogers. An Introduction to NURBS: With Historical Perspective Paperback - August 6, 2011.
- Tang Y., Zhao Y.F. A survey of the design methods for additive manufacturing to improve functional performance. Rapid Prototyping Journal, 2016; 22 (3), P.569-590. DOI:10.1108/RPJ-01-2015-0011.
- Leary M., Merli L., Torti F., Mazur M., Brandt M. Optimal topology for additive manufacture: A method for enabling additive manufacture of support-free optimal structures. Materials & Design, 63, 2014, P.678-690. DOI:10.1016/j.matdes.2014.06.015.
- Кишов Е.А. Программа Topo2STL. Свидетельство о регистрации №2021680225 от 08.12.2021 г.
- Raffaeli R., Lettori J., Schmidt J., Peruzzini M., Pellicciari M. A systematic approach for evaluating the adoption of additive manufacturing in the product design process. Applied Sciences. 11(3), 1210, 2021. P.9-17. DOI:10.3390/app11031210.
