В 1960‑х годах, наравне с появлением и развитием метода конечных элементов в контексте численных методов, начали развиваться теории структурной оптимизации. Уже к 80‑м годам прошлого столетия, с развитием автоматизированных систем, сформировались интересные и законченные идеи нового направления в проектировании – топологической оптимизации. Однако настоящий всплеск интереса к данной теме возник после активного развития трехмерной печати – появилась возможность создавать изделия сложнейшей геометрии.

Топологическая оптимизация: понятие и возможности

С научной точки зрения топологическая оптимизация – это математический подход, решающий проблему оптимального распределения материала в ограниченном пространстве, что удовлетворяло бы заданным параметрам. Более простым языком – это один из способов удалить в конструкции лишний материал, не меняя ее полезный функционал.

Топологическая оптимизация – способ итерационный, в его основе лежит метод конечных элементов. И суть его, на пальцах, довольна проста: с учетом нагрузок, граничных условий и указанных свойств определенные математические алгоритмы нужным образом поэтапно удаляют (или добавляют уже удаленный) в конструкцию материал.

Традиционный узел и его дальнейшее усовершенствование путем топологической оптимизации и 3D-печати металлом © Arup

В качестве параметров для конечного результата выступают первым делом зоны вашей оптимизации – какие-то элементы вы можете сохранить и не подвергать изменениям, на другие наложить нужные условия. С помощью топологической оптимизации можно достичь довольно серьезной модернизации конструкции, например, уменьшить массу и объем, сохранив прочность, перераспределить и минимизировать внутренние напряжения, изменить деформированное состояние или собственные частоты и формы.

Кейс МГТУ им. Н.Э. Баумана: как снизить вес изделия вдвое

В большинстве случаев результатом топологической оптимизации является очень сложная форма и структура конструкции, имеющая так называемую бионическую форму, для реализации которой удобны аддитивные технологии.

Довольно интересный эксперимент провела кафедра «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана в кооперации с компанией «Русские машины».  С помощью 24 датчиков, установленных на квадроцикл, после динамических испытаний было получено экспериментальное подтверждение и проведено цифровое моделирование нагруженности поворотной стойки передней подвески.

После симуляции более чем 40 виртуальных экспериментов и получения модели было принято решение провести модернизацию стойки подвески с помощью топологической оптимизации и 3D‑печати.

Динамические испытания квадроцикла

В результате расчета получена новая бионическая форма конструкции поворотной стойки, проведена проверка на прочность и интеграция в силовой механизм.

Слева направо: топологическая оптимизация, компоновка стойки в подвеске и колесе, поверочный расчет на прочность

Перед изготовлением выполнена технологическая проработка процесса аддитивного производства, смоделировано коробление, расчетным путем найдены остаточные напряжения и геометрические отклонения от теоретической поверхности детали в процессе ее остывания после 3D‑печати. Материалом для печати выбран высокопрочный порошковый алюминий.

Моделирование коробления после 3D‑печати (слева), напечатанная стойка с поддержками (справа)

После 3D‑печати стойки по технологии селективного лазерного плавления порошка произведена томография напечатанной детали для контроля отклонений и величин дефектов в толще материала. Для наилучшего крепления стойки осуществлена механическая обработка присоединительных поверхностей. В конечном итоге произведена сборка и успешные испытания в составе квадроцикла.

Трехмерная томография (слева), стойка на квадроцикле (справа)

В результате топологической оптимизации и аддитивного производства масса стойки уменьшена практически в два раза, процесс изготовления и последующей обработки значительно облегчен.

Оптимизированная алюминиевая и исходная стальная стойки с запрессованным подшипником и шаровой

Работа проведена в МГТУ им. Н.Э. Баумана совместно с компанией «Русская механика» под руководством к.т.н., доцента Дениса Сергеевича Вдовина. Изображения предоставлены МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Перспективы топологической оптимизации и аддитивного производства

На сегодня с научной точки зрения теория топологической оптимизации в целом завершена, понятны все формулировки, получены и обоснованы способы решения. Но остается актуальным вопрос ускорения этих расчетов, развития методов быстрой оптимизации и упрощения алгоритмов. Поэтому в данной области сейчас идет активная работа, прилагаются большие усилия как научного, так и технического характера.

Параллельно с этим в аддитивных технологиях развиваются системы симуляции процессов 3D‑печати, что позволяет прогнозировать и реализовывать стабильность механических характеристик и соответствие геометрии напечатанных изделий теоретическим размерам будущих объектов. Все это способствует проведению полноценных и верных расчетов. На реальных примерах и опыте хорошо видно, как обе эти сферы взаимно развиваются, что открывает новые горизонты на пути к Индустрии 4.0. 

Статья опубликована 08.09.2022 , обновлена 08.09.2022

Автор Александр Озеров

Источник