Технология исследователей Пермского Политеха позволит снизить вес конструкций самолетов и ракет, сохранив их прочность. Более «легкие» изделия при этом уменьшат стоимость продукции, а заодно и расход топлива.
Заправка самолета топливом / ©phototass4.cdnvideo.ru
Результаты работы ученые опубликовали в журнале Lecture Notes in Mechanical Engineering (в печати). «Уменьшение веса деталей позволяет снизить их стоимость и расход топлива. Поэтому сегодня все производители стремятся разработать конструкции с минимальным весом и сохранить их прочность.
Эти задачи можно решить с помощью оптимального проектирования, но оно требует больших затрат. Наша методика позволяет «облегчить» деталь, не изменив ее характеристики», – рассказывает один из разработчиков, выпускник факультета прикладной математики и механики ПНИПУ Марат Бекмансуров.
Пермские исследователи предложили способ проектирования конструкций в два этапа. Они последовательно обрабатывали заготовку изделия с помощью двух известных методов – топологической и параметрической оптимизации. Уникальность технологии заключается в том, что разработчики использовали преимущества каждого из способов, обходя их недостатки.
Сначала с помощью первого метода ученые определили оптимальную форму изделий в программном пакете SolidThinking Inspire, чтобы выявить конструкцию с минимальной податливостью при нужном весе. Затем на основе этих данных разработчики построили новые модели, чтобы снизить вес и сохранить прочность изделий. Второй этап они провели с помощью программы Ansys Mechanical APDL и дополнительно написали код.
«Двухэтапная методика заключается в поочередном использовании топологической и параметрической оптимизации. На первом этапе мы находим конструкцию минимальной податливости при заданной массе и наблюдаем тенденцию удаления частей объема. На основе этих данных строится параметрическая модель, масса которой затем минимизируется, и при этом задаются ограничения по напряжениям», – рассказывает разработчик.
Оптимизация топологии – это изменения в конструкции, которые включают в себя удаление границ тела и создание новых, а затем – получение новой формы конструкции. Цель оптимизации топологии – уменьшение или увеличение определенных характеристик конструкции (увеличение жесткости, уменьшение податливости, уменьшение напряжений) при удовлетворении заданным ограничениям, как правило, на объем изделия.
В данном случае пермские ученые нашли форму конструкции с минимальной податливостью с наилучшим распределением материала в нужном объеме. Параметрическая оптимизация предусматривает поиск наилучшего набора параметров изделия. После этого можно получить конструкцию с «облегченным» весом.
Результаты «облегчения» двух типов конструкций подтвердили эффективность и экономичность технологии. Конструкции сохранили прочность, а их вес удалось уменьшить в 2,4 и 6,7 раза относительно изначальной заготовки. По сравнению с аналогами, пермская разработка позволяет учитывать большее количество параметров изделий.
По словам исследователей, технология может найти применение в аэрокосмической отрасли. Использование разработки позволит одновременно получить оптимальную форму конструкций для самолетов и ракет и значительно снизить вес изделий. При этом методика поможет сэкономить средства, вычислительные мощности и сократить время создания деталей.
