МЕТОД ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МАССОЭФФЕКТИВНОСТИ АЛЮМИНИЕВЫХ БАЛОК

В данной работе проведено исследование, направленное на снижение массы консольной балки из алюминиевого сплава Ал9 с применением топологической оптимизации (ТО) на основе метода SIMP. Оптимизация выполнялась с использованием программного комплекса APM FEM, что позволило реализовать численное моделирование на современном уровне с учётом особенностей материала. Балка испытывала комбинированное действие сосредоточенной вертикальной силы 4000 Н и продольной растягивающей силы 3000 Н, что позволило смоделировать реальную эксплуатационную нагрузку, близкую к условиям работы конструкций в машиностроении и строительстве. В процессе расчётов удалось снизить массу конструкции на 52 % при сохранении основных прочностных характеристик. При этом наблюдалось увеличение максимальных напряжений по сравнению с исходной моделью, что связано с перераспределением материала и концентрацией напряжений в отдельных зонах конструкции. Однако уровень напряжений остался в пределах, близких к допустимым для выбранного материала с учётом коэффициента запаса прочности. Проведён модальный анализ подтвердил достаточную отстройку собственных частот от критических значений. Полученные результаты демонстрируют потенциал применения ТО для проектирования облегчённых, энергоэффективных и технологически перспективных конструкций.

1. Eschenauer H.A. Topology optimization of continuum structures: a review / H.A. Eschenauer, N. Olhoff // Applied Mechanics Reviews. – 2001. – № 54(4). – Р. 331-390.

2. Topology optimization: a review for structural designs under vibration problems / S. Zargham et al // Structural and Multidisciplinary Optimization. – 2016. – № 53. – Р. 1157-1177.

3. Topology design methods for structural optimization / О.М. Querin et al // Butterworth-Heinemann. – 2017.

4. Wu J. Topology optimization of multi-scale structures: a review / J. Wu, O. Sigmund, J.P. Groen // Structural and Multidisciplinary Optimization. – 2021. – № 63. – Р. 1455-1480.

5. Kim H.W. Design of a double-optimized lattice structure using the solid isotropic material with penalization method and material extrusion additive manufacturing / H.W. Kim, Y.S. Kim, J.Y. Lim // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. – 2020. – № 234(17). – Р. 3447-3458.

6. Tarek M. Adaptive continuation solid isotropic material with penalization for volume constrained compliance minimization / M. Tarek, T. Ray // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 2020. – № 363. – Р. 112880.

7. Nguyen M.N. Topology optimization framework for thermoelastic multiphase materials under vibration and stress constraints using extended solid isotropic material penalization / M.N. Nguyen, V.N. Hoang, D. Lee // Composite Structures. – 2024. – № 344. – Р. 118316.

8. Helou M. Design, analysis and manufacturing of lattice structures: an overview / M. Helou, S. Kara // International Journal of Computer Integrated Manufacturing. – 2018. – № 31(3). – Р. 243-261.

9. Seppälä J. Тopology optimization in structural design of an LP turbine guide vane: potential of additive manufacturing for weight reduction / J. Seppälä, A. Hupfer // In Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. American Society of Mechanical Engineers. – 2014. – Vol. 45769. – Р. V07AT28A004.

10. Boldyrev A.V. Automation of Aircraft Design: Textbook / A.V. Boldyrev, V.A. Komarov // Samara: SSAU Publishing House. – 2012. – 123 p.

11. Sysoeva V.V. Algorithms for topology optimization of load-bearing structures / V.V. Sysoeva, V.V. Chedrik // TsAGI Science Journal. – 2011. – № 42(2). – Р. 91-102.

12. Topology-optimized intermediate casing of an aero engine and comparative evaluation of titanium and composite architecture in terms of load capacity and weight reduction / М. Kober et al // In Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. – 2008. – Vol. 43154. – Р. 69-79.