Революция в проектировании и производстве оптимальных элементов конструкций на основе объединения технологий производства добавлением слоев (Additive Layer Manufacturing, ALM) и HyperWorks Optistruct топологической оптимизации
|
Robert Yancey - |
Роберт Янси (Robert Yancey), старший директор Global Aerospace, Altair рассказывает о перспективах развития трехмерной печати (3-D печати) и ее применимости в в производстве элементов машин и конструкций, а не прототипов. Производство методом добавления слоев (Additive Layer Manufacturing, ALM) не является новой технологией. Я начал работать в этой отрасли почти 20 лет назад, когда она называлась быстрым прототипированием, а затем – трехмерной печатью. Сейчас она получила название ALM. Технология ALM – это метод создания изделия слой за слоем, и он отличается от традиционных способов производства, которые или начинаются с разработки формы и механизмов, или используют инструменты для придания материалу нужной формы. Некоторые процессы ALM основываются на применении лазеров для отвердевания материала, другие – "наращивают" материал, подавая его через небольшие отверстия. Но все они основаны на создании детали с помощью последовательно наносимых тонких слоев. |
ALM технология является очень удобной при создании прототипов, но пока мало применяется при производстве реальных деталей и компонентов. В последнее время появились новые методы и новые материалы, которые могут сделать ALM более подходящим для выпуска рабочих деталей. Недавно вышла хорошая статья в журнале Technology Review, в которой обсуждаются некоторые нынешние и будущие применения метода. На недавней технологической европейской Altair конференции (1, 2), у нас была секция, посвященная ALM технологиям, где ведущие представители индустрии обсуждали технологии и их применение.
Яннис Кранц (Jannis Kranz), из TUHH, показывает кронштейн,
разработанный в HyperWorks OptiStruct и произведенный с помощью технологии ALM
Когда я присоединился к Altair в 1999 году, учитывая мою предыдущую работу в области быстрого прототипирования, я сразу увидел связь с программной системой Hyperworks OptiStruct (1, 2, 3). На выставках, посвященных быстрому созданию прототипов, часто раздавались образцы, изготовленные на специальном оборудовании участников выставок, которые не могли быть изготовлены никакими другими методами. Например, шарик внутри клетки или ступени внутри маленького замка. Это были прикольные маленькие безделушки, которые демонстрировали возможности представляемых технологий. Поскольку деталь создается слой за слоем, можно добавлять сложные небольшие элементы внутрь замкнутой структуры.
В основе HyperWorks OptiStruct лежит технология топологической оптимизации. Оптимальная конструкция (структура) обычно представляет из себя некоторое количество внутреннего материала, окруженного оболочкой. Идея топологической оптимизации была вдохновлена изучением природных структур и попыткой найти математическое объяснение такого строения. Оказалось, что "оптимальная структура содержит материал только там, где это нужно", то есть там, где она будет "нести" нагрузку ("несущая конструкция"). Если конструкционный элемент должен выдерживать нагрузки, то необходимо наличие материала на внешней стороне. Если необходимо минимизировать массу детали, то материал, как правило, должен располагаться около оси приложения нагрузки. Природа использует этот принцип, и это наиболее очевидно представлено в структуре костей, которые имеют твердый наружный слой, а внутри – пористые внутренние структуры.
Altair добавил в HyperWorks OptiStruct оганичения, накладываемые возможностями типичных методов производства. Это было сделано ля того, чтобы упростить разработку дизайна, который затем может быть изготовлен с помощью современных производственных технологий. Речь идет о деталях, которые будут изготовлены на фрезерном станке, отлиты из металла или пластмассы, или получены ковкой. Но такие изделия не будут оптимальными с структурной точки зрения. ALM технология в корне изменяет положение вещей, поскольку сейчас у нас практически нет ограничений на возможности производства, и мы можем создавать по-настоящему оптимальный дизайн деталей, изделий, машин и конструкций. ALM технология реализует все возможности HyperWorks OptiStruct.
Технология топологической оптимизации основана на анализе современным и мощным методом конечных элементов (МКЭ), поэтому программная система HyperWorks OptiStruct разработана в традиционной среде пользователя, работающего с МКЭ. Эта технология стала еще одним профилем в генераторе конечно-элементных (КЭ) сеток HyperMesh, в интерфейс которого добавлены возможности настройки процесса топологической оптимизации, чтобы пользователь мог задать всю необходимую для вычислений информацию в панели решения, решить задачу и получить результаты. Для пользователей, знакомых с HyperMesh, будет сравнительно легко научиться работать с HyperWorks OptiStruct. Может потребоваться некоторое время, чтобы понять, какие настройки лучше выбирать для определенных типов задач, но для опытных пользователей HyperMesh интерфейс HyperWorks OptiStruct будет интуитивно понятным.
Несколько лет назад Altair обратил внимание на то, что у инженеров часто возникают сложности не из-за того, что они не работают со структурой. Инженеры, конечно же, анализируют напряженно-деформированное состояние, определяют размеры, изучают зоны концентрации напряжений и потенциального разрушения, наконец, выбирают материал, но, как правило, инженеры-расчетчики не создают новый дизайн. Промышленные дизайнеры и инженеры-конструкторы разрабатывают концепты, модификации и функции детали, но они, как правило, не знакомы с современными методами МКЭ, поэтому им сложно использовать HyperWorks OptiStruct. Для этих случаев Altair разработал приложение SolidThinking Inspire, которое является простым в освоении и работает с существующими инструментами компьютерного проектирования (CAD системами), что поможет инженерам-конструкторам использовать топологическую оптимизацию для оптимальной разработки структуры изделий. Это дает инженерам-конструкторам, создающим дизайн, в руки технологию и математические инструменты для оптимизации дизайна.
Altair SolidThinking Inspire позволяет инженерам-конструкторам, дизайнерам и архитекторам
быстро и легко создавать и исследовать концепции эффективных и оптимальных структур
Теперь, с появлением ALM технологии, инженеры-конструкторы или инженеры-расчетчики могут создавать оптимальные конструкции, которые могут быть изготовлены без традиционных производственных ограничений, существующих при использовании традиционных способов производства. Поскольку природа создает оптимальный дизайн, а мы обращаемся к ней в поисках вдохновения, технология ALM в сочетании с топологической оптимизацией HyperWorks OptiStruct представляют собой инновационный подход к разработке оптимальных форм - оптимальных деталей, изделий, машин и конструкций.
Процесс HyperWorks OptiStruct оптимизации кронштейна для Airbus A320
(изображение предоставлено EADS)
В будущем ALM технология может повысить качество использования материала в конструкциях на подобие того, как мы это видим в природе. Например, кости не состоят из отдельных внешнего слоя и пористой внутренней структуры, а количество и свойства слоев постепенно меняются. Позже планируется развить технологию ALM так, что можно будет создавать детали микропорциями, чтобы можно было бы выбрать оптимальное количество материала и оптимальные свойства материала во всей структуре. Например, если бы можно было менять состав сплава так, чтобы в необходимых местах увеличить жесткость, а в других – податливость, мы могли бы создать "конструкцию в целом" без традиционных соединений или сварных швов, и которая была бы оптимизирована, например, под необходимые эксплуатационные нагрузки.
Это может оказаться революционным прорывом в деле создания машин и конструкций нового поколения. Сейчас мы видим развивающуюся технологию, но первые применения этой идеи могут быть реализованы не в очень далеком будущем. Сейчас ведется активное исследование простого варьирования свойств материала изменением параметров процесса. Поскольку интенсивные исследования продолжаются, то инженеры могут быть уверены, что Altair предоставит такие технологии проектирования, которые "смогут выжать максимум" из возможностей передовых ALM технологий.
Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам сайта Altair Hyperworks Insider.
 |
|
ООО Лаборатория "Вычислительная механика" (CompMechLab® Ltd.) - официальный дистрибьютор продуктов HyperWorks в России, СНГ и странах Балтии.
Контактное лицо: Антон Алексашкин, директор департамента "Дистрибьюция программных систем компьютерного инжиниринга" CompMechLab® Ltd.
Адрес: 194021, Санкт-Петербург, Россия, ул. Шателена, д. 26 лит. А, БЦ "Ренессанс", офис 5.20 Тел./Факс: +7 (812) 309-18-88; Моб.: +7 (921) 881-41-30
|
Другие новости по этой теме на сайте FEA.ru:
22.07.2013 CIMdata комментарий. SolidThinking Inspire демократизирует разработку дизайна изделий на основе оптимизации
19.07.2013 NASA и компания Aerojet Rocketdyne провели испытания инжектора жидкостного ракетного двигателя, изготовленного с применением 3D-печати
17.07.2013 В США разработан способ 3D-печати жидким металлом при комнатной температуре
07.07.2013 На VI Eвропейской конференции Altair, которую посетило 600 инженеров, менеджеров и экспертов из 26 стран, были обсуждены направления развития и совместного использования технологий топологической оптимизации и трехмерной печати
29.05.2013 Ультралегкий концепт Audi TT ultra quattro получил композитную подвеску из углепластика
04.07.2013 К Партнерскому Альянсу Altair присоединились Impact Design Europe, AlphaSTAR Corporation и Cambridge Collaborative Inc.
24.05.2013 Hexcel награждена Специальным призом за разработку композитного кронштейна из материала Hexcel HexMC, который на 75% легче металлического аналога
22.05.2013 Новости мира композитов и композитных структур. Вязанные материалы из тройных скользящих узлов обеспечивают создание недорогого материала с рекордной ударной вязкостью
16.05.2013 Инженеры научили робота-ящерицу ходить по песку. Представлено видео
15.05.2013 HyperWorks 12.0 - американская компания Altair представила новую версию программной системы конечно-элементного анализа и компьютерного инжиниринга
15.05.2013 Pratt & Whitney готовится к летным испытаниям двигателей PW1100G
05.04.2013 Компания Pratt & Whitney Rocketdyne на основе интенсивных огневых тестов двигателя J-2X подтвердила применимость SLM-технологии селективной лазерной плавки (3-D лазерной печати) для выполнения деталей ракетных двигателей
03.04.2013 FabLab - 3D печать становится всё более популярной. Возможно, скоро мы будем печатать целые города
15.03.2013 Altair продолжает расширять список программ для моделирования литья, добавляя компанию Quantech ATZ к Партнерскому Альянсу HyperWorks
13.03.2013 Канадский изобретатель распечатал на 3D-принтере автомобиль, лобовое сопротивление которого почти в два раза меньше, чем у современных спорткаров
31.01.2013 Michigan Engineering Services увеличил значительность Партнерского Альянса HyperWorks, добавив программное обеспечение для анализа высокочастотного шума и вибраций
18.01.2013 Компании Bloodhound, Altair и GrabCAD объявляют конкурс по созданию дизайна руля для сверхзвукового автомобиля BLOODHOUND
11.01.2013 CompMechLab-HW-Review - HyperWorks OptiStruct. 1. Применение OptiStruct для оптимизации конструкций в аэрокосмической отрасли (Boeing; EADS / Airbus, Eurocopter)
01.12.2012 Один из лидеров CAE-технологий мирового уровня - HyperWorks - в России, странах СНГ и странах Балтии! CompMechLab® открывает сайт HyperWorks на русском языке. Представлено краткое видео о HyperWorks-платформе
26.11.2012 Американская компания Altair Engineering признана компанией года в области разработки программного обеспечения (CAE-система HyperWorks), а также удостоена награды Gold Stevie Award за достижения в американском бизнесе (ABA) за 2012 год
22.07.2012 Пользователи программной системы HyperWorks от Altair Engineering (США) в рамках HyperWorks Partner Alliance (HWPA) получили доступ к программной системе конечно-элементного моделирования тонкостенных многослойных композитных структур ESAComp без дополнительных затрат
01.07.2011 Altair представляет HyperWorks 11.0 - наиболее полный инструмент открытой архитектуры КЭ моделирования
24.06.2011 Bombardier Aerospace добавляет HyperWorks от Altair к своим стратегическим решениям для моделирования корпусов самолетов