Топологическая оптимизация конструкций
TRANSCRIPT
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
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
• 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
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Актуальная задача
4
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Объект исследования
5
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Предлагается оптимизировать одну из деталей сборки силового гироскопа
Объект исследования
6
Как это работает
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
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
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
ANSYS Topology Optimization ACT
9
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
• 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
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
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
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Предлагается оптимизировать одну из деталей сборки силового гироскопа
Объект исследования
12
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Необходимо дать алгоритму оптимизации больше пространства
Подготовка пространства проектирования
13
Исходная геометрия Пространство проектирования
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Граничные условия на узлы, выбираемые по геометрическим правилам
Граничные условия и нагрузки
14
Закрепление Нагрузка от подшипника
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Дискретизация пространства и заморозка областей
15
КЭ сетка Исключения из оптимизации
Поверочный расчет
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Перед подготовкой геометрии необходимо выполнить проверку полученной топологии по критериям качества
Нерегулярная КЭ сетка
Автоматической упрощение геометрии
КЭ модель для предварительной проверки концепта
17
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Пригодились умные граничные условия на сетку по правилам
Граничные условия
18
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
Масса 725 г → 144 г
Жесткость 3000 Н/м → 1000 Н/м
Запас по напряжениям 5 – 9 раз
Промежуточные итоги
19
© ЗАО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», 2016
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