Application of the Topological Optimization Method to Reduce the Mass of Gas Turbine Engine Model Bracket

Abstract

Применение методики топологической оптимизации позволяет уменьшить массу детали при сохранении ее жесткостных и прочностных характеристик. Целью данной работы является расчетное и экспериментальное исследование изменения жесткости конструктивно подобного кронштейна трубопровода авиационного ГТД вследствие уменьшения его массы на 30 % с помощью SIMP-метода топологической оптимизации. При этом в качестве ограничения задавалось требование на сохранение величины прогиба кронштейна в вертикальной плоскости под нагрузкой в 5 кг. Решение задачи топологической оптимизации осуществлялось в программе ANSYS 19. Сглаживание полученной в результате оптимизации геометрии модели осуществлялось в CAD-системе NX. Для экспериментальной верификации результатов расчета перемещений под нагрузкой исходной и оптимизированной геометрии детали аддитивным методом послойного наплавления на 3D-принтере были изготовлены две натурные модели кронштейна в масштабе 1:1 из материалазаменителя (ABS-пластик). Способ закрепления и нагружения и характеристики материала в экспериментальной установке были аналогичны расчетной схеме. Нагружение производилось с помощью калибровочных грузов. Измерение перемещений производилось в нескольких точках с помощью индикатора часового типа. Также контролировались горизонтальные деформации кронштейна. Показана хорошая сходимость расчетного и экспериментального определения перемещений конструктивно подобного кронштейна под нагрузкой. Проанализированы возможные причины отклонений. Полученные расчетные и экспериментальные данные могут быть использованы для верификации более сложных математических моделей, использующихся для решения задач статического нагружения деталей, изготовленных с помощью метода 3D-печати.Ключевые слова: топологическая оптимизация, оптимальное проектирование, аддитивные технологии, SIMPметод, метод конечных элементов.

Topological Optimization of Design Elements of a Robotic Cell

“…

Введение. Топологическая оптимизация представляет собой технологию для проектирования конструкций различной сложности, путем оптимизации машины с сохранением прочности [1, 2]. Также оптимизацию топологии используют для изучения уникальных физических свойств [3][4][5].Самое первое упоминание о технологии топологической оптимизации (ТО) появилось одновременно с методом конечных элементов, то есть в 1960-е годы.

…”

“…Введение. Топологическая оптимизация представляет собой технологию для проектирования конструкций различной сложности, путем оптимизации машины с сохранением прочности [1, 2]. Также оптимизацию топологии используют для изучения уникальных физических свойств [3][4][5].…”

“…Теперь разберем подробнее, что такое топологическая оптимизация и для чего ее используют. До момента появления аддитивных технологий, вопрос по геометрии не являлся такой серьезной проблемой и решался всеми доступными методами [1,2]. С появлением аддитивных технологий стали стараться уменьшить вес конструкций за счет данной технологии, и так появился метод топологической оптимизации.…”

“…Основная цель в данной статье состоит в том, чтобы получить топологическую модель тележки, на которую устанавливается робот KUKA [1,13].…”