Топологическая оптимизация конструкций

ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

Топологическая оптимизация конструкций

Сергей ШевченкоАО «НИИ командных приборов»

Юрий НовожиловЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016

Образован в 1967 году

Федеральный научно-производственный центр

2


• Командные приборы для ракет-носителей и разгонных блоков;• Силовые гироскопические комплексы • Управляющие двигатели-маховики• Поворотные системы ориентации панелей солнечных батарей• Систем магнитной разгрузки кинетического момента• Управляющие приводы и устройства космического назначения• Систем горизонтирования транспортных машин

Научно-исследовательский институт командных приборов

3


Актуальная задача

4


Объект исследования

5


Предлагается оптимизировать одну из деталей сборки силового гироскопа


6

Как это работает


Топологическая оптимизация – изменения в конструкции, включающие создание новых границ тела и удаление существующих, с целью увеличения или уменьшения заданного свойства конструкции (например, уменьшение энергии деформации, увеличение главной собственной частоты) при удовлетворении определенных условий (например, снижение материалоемкости).

Оптимизация топологии

8


ANSYS Topology Optimization ACT

9


• Параметр проектирования – вектор псевдоплотности, показывает наличие или отсутствие материала в элементе ()

• Целевая функция – минимизации податливости конструкции через минимизацию энергии деформации

• Ограничения – соблюдение требований на снижение материалоемкости

Математическая постановка топологической оптимизации

10


Топологическая оптимизация работает как в 3D, так и в 2D

Область применимости метода, базовые настройки

11

Целевые функции (Objective) Ограничения (Constraint)• Одно/несколько условий

нагружения• Локальная степень свободы• Реакция силы• Масса или объем

• Объем или масса

• Напряжения• Реакция силы• Локальная степень свободы


Предлагается оптимизировать одну из деталей сборки силового гироскопа


12


Необходимо дать алгоритму оптимизации больше пространства

Подготовка пространства проектирования

13

Исходная геометрия Пространство проектирования


Граничные условия на узлы, выбираемые по геометрическим правилам

Граничные условия и нагрузки

14

Закрепление Нагрузка от подшипника


Дискретизация пространства и заморозка областей

15

КЭ сетка Исключения из оптимизации

Поверочный расчет


Перед подготовкой геометрии необходимо выполнить проверку полученной топологии по критериям качества

Нерегулярная КЭ сетка

Автоматической упрощение геометрии

КЭ модель для предварительной проверки концепта

17


Пригодились умные граничные условия на сетку по правилам

Граничные условия

18


Масса 725 г → 144 г

Жесткость 3000 Н/м → 1000 Н/м

Запас по напряжениям 5 – 9 раз

Промежуточные итоги

19


Геометрическая модель на основе концепта

20

Произведен первый этап оптимизации оптимизации конструкции

Масса снижена в 4 – 5 раз

Еще есть запас по жесткости и прочности

Сергей ШевченкоАО «НИИ командных приборов»

Юрий НовожиловЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

[email protected]

Engineering

Топологическая оптимизация конструкций