Разработка интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга для аддитивного производства легких и надежных композитных конструкций

Полное название проекта: «Разработка интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга для аддитивного производства легких и надежных композитных конструкций ключевых высокотехнологичных отраслей промышленности».

Источник финансирования: Источник софинансирования: индустриальный партнер – Открытое акционерное общество «Объединенная ракетно-космическая корпорация». ФЦП Министерства образования и науки Российской Федерации «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». Программное мероприятие 1.4. Приоритетное направление – Транспортные и космические системы. Соглашение с Министерством образования и науки РФ: 14.581.21.0005. Уникальный идентификатор проекта: RFMEFI58114X0005.

Получатель субсидии: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого». Исполнитель: СПбПУ, Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (ИЦ «ЦКИ») СПбПУ. Индустриальный партнер: Открытое акционерное общество «Объединенная ракетно-космическая корпорация». Соисполнители:

• Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное объединение «Техномаш»;
• Автономная некоммерческая образовательная организация высшего профессионального образования «Сколковский институт науки и технологий»;
• Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»;
• Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук;
• Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Цели и задачи проекта

Разработка интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга (ИСКПИ), включающей в себя разработку многоуровневых конечно-элементных моделей композиционных материалов и композитных конструкций.

Создание технологического оборудования для аддитивного производства композиционных материалов и композитных конструкций на их основе.

Результаты

1. Разработан программный продукт «Интегрированная система компьютерного проектирования и инжиниринга» (ИСКПИ), имеющий клиент-серверную архитектуру и предназначенный для проектирования на основе математического моделирования с применением алгоритмов оптимизации легких и надежных конструкций. На разработанную систему ИСКПИ получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017617619.

Интерфейс основных разделов ИСКПИ.

ИСКПИ позволяет инженеру проектировать конструкции под заданные целевые показатели (критерии качества) на основе математического моделирования, и методов структурной и параметрической оптимизации. Модуль оптимизации ИСКПИ связан с каталогизированной базой данных конструкций. Для каждого элемента конструкции или конструкционной сборки возможно проведение следующих типов расчетов:

• инженерный расчет (ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, LS-DYNA);
• топологическая оптимизация (Tosca Structure, Altair Optistruct, разработанный автором программный модуль);
• оптимизация формы (Tosca Structure);
• топографическая оптимизация (Tosca Structure);
• параметрическая оптимизация (Esteco mode Frontier, Noesis Optimus) .

Отслеживание изменений в конструкции, внесенных на основании проведенного инженерного или оптимизационного расчета, осуществляется с помощью дерева эволюции ИСКПИ:

Дерево эволюции ИСКПИ

Каждому элементу дерева соответствует свой перечень целевых показателей, которым в результате проектирования должен соответствовать элемент конструкции. Данный перечень для конструкционной сборки определяется на основе желаемых потребительских свойств изделия, для отдельных элементов конструкции – исходя из эксплуатационных нагрузок и ограничений, технологических ограничений, а также целевых показателей ко всей конструкционной сборке. Соответствие характеристик изделия целевым показателям отслеживается в автоматизированном режиме. При этом при изменении в результате оптимизации элемента конструкции обновляются характеристики как отдельного элемента, так и всей конструкционной сборки.

Целевые показатели конструкционной сборки

Связь характеристик конструкционной сборки и ее составных элементов осуществляется с помощью математического моделирования в рамках предусмотренных для данной конструкционной сборки процедур декомпозиции и агрегирования.

Таким образом, с помощью технологий математического моделирования и оптимизации в ИСКПИ осуществляется проектирование конструкций, удовлетворяющих заданным целевым показателям в условиях существующих эксплуатационных воздействий, эксплуатационных и технологических ограничений.

2. Разработаны и верифицированы многоуровневые модели образцов композиционных материалов и элементов композитных конструкций.

Микрофотография шлифа образца трехкомпонентного композиционного материала и параметризация микроструктуры в многоуровневых моделях.

Различные реализации микроструктуры в конечно-элементных моделях и примеры напряженно-деформированного состояния отдельных компонентов материала в процессе виртуального испытания образца.

3. Разработаны методики топологической и параметрической оптимизации конструкций ракетно-космической техники с использованием передовых мировых систем конечно-элементного анализа и оптимизации.

С помощью разработанных методик с использованием ИСКПИ выполнена разработка ряда оптимизированных элементов конструкций для ПАО «РКК «Энергия» и АО «ИСС».

Параметрическая оптимизация вафельной обечайки (для ПАО «РКК «Энергия»).

Топологическая оптимизация кронштейна рефлектора (для АО «ИСС).

Разработанный на основе топологической оптимизации в ИСКПИ и изготовленный с помощью 3D-печати титановый кронштейн рефлектора спутниковой системы АО «ИСС».

С помощью ИСКПИ, а также разработанного и внедренного в ИСКПИ модуля генерации G-кодов для конструкций, напечатанных на Z-принтере, были оптимизированы и напечатаны конструкции типа «плита».

4. Изготовлен Z2-принтер для аддитивного изготовления образцов двух- и трехкомпонентных композиционных материалов и элементов композитных конструкций на их основе.

Z2-принтер.

5. Изготовлены экспериментальные образцы композиционных материалов и элементов композитных конструкций и проведены их исследовательские испытания

Образцы трехкомпонентного материала и элементов композитных конструкций.
Разрушенный в результате исследовательского испытания на растяжение образец трехкомпонентного композиционного материала.

6. Разработан и изготовлен макет технологического оборудования для изготовления методом 3D-печати элементов конструкций из трехкомпонентного композиционного материала. Область печати разработанного макета Z-принтера: 3000х3000х100 мм.

Макет Z-принтера.

7. Изготовлена и испытана крупногабаритная конструкция «плита»

Из трехкомпонентного композиционного материала на Z-принтере была напечатана оптимизированная сетчатая конструкция «плита» 1.4х1.4 метра. Конструкция представляет собой решетку из ребер различного направления, количество и расположение которых определено по результатам параметрической оптимизации в ИСКПИ.

Сетчатая конструкция типа «плита»

Также на Z-принтере была напечатана крупногабаритная сетчатая конструкция «каркас» 2.6х2.3 метра. По результатам оптимизации была предложена и реализована трехслойная структура данной конструкции: между внешними слоями композиционного материала расположен слой неармированного полимера. Данное техническое решение, позволившее в 1.5-2 раза сократить время изготовления конструкции, не привело к снижению механических характеристик.

Сетчатая конструкция типа «каркас»

Были проведены исследования механических характеристик изготовленных крупногабаритных конструкции, продемонстрировавшие их соответствие требованиям технического задания. В ходе испытаний определены прогибы конструкций под действием нормативных нагрузок. Прогиб конструкции типа «плита» составил менее 60% максимально допустимого, прогиб конструкции типа «каркас» – менее 30%. Результаты виртуального эксперимента в ИСКПИ, выполненные с учетом нелинейного поведения конструкции, продемонстрировали отличие от результатов натурного исследования не более чем на 12%, что удовлетворяет требованиям технического задания.

Испытания конструкций