Список выполненных НИОКР

Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ

Отрасли промышленности:
Ключевые слова численное моделирование, оптимизация кронштейна рефлектора, суперкомпьютерное моделирование, топологическая оптимизация, аддитивные технологии
Программное обеспечение ИСКПИ, Altair OptiStruct
Период проведения 2017 г.

Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ

Разработка выполнена в интересах АО «ИСС» с использованием «Интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга» (ИСКПИ), разработанной в рамках Соглашения о предоставлении субсидии между Министерством образования и науки РФ и Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого. Соглашение на выполнение ПНИЭР по теме «Разработка интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга для аддитивного производства легких и надежных композитных конструкций ключевых высокотехнологичных отраслей промышленности» выполняется в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (мероприятие 1.4). Руководителем ПНИЭР стал проректор по перспективным проектам СПбПУ, руководитель ИЦ «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ А.И. Боровков; индустриальным партнером – ОАО «Объединенная ракетно-космическая корпорация» (ОРКК).

Интегрированная система компьютерного проектирования и инжиниринга (ИСКПИ) – система проектирования для аддитивного производства легких и надежных композитных конструкций ключевых высокотехнологичных отраслей промышленности. Применение ИСКПИ (с расширением на другие материалы, технологии и конструкции) и иных ресурсов  (в частности, мощностей Суперкомпьютерного центра «Политехнический»), наличие необходимых компетенций и технологий 3D-печати из полимерных композитов позволили специалистам ИЦ «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ решить задачу перепроектирования кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации в течение месяца (ответственный исполнительзаместитель руководителя Центра А.С. Немов).

Описание исходной конструкции:

  • Кронштейн размещается на космическом аппарате и предназначен для удержания рефлектора.
  • Изделие изготавливается фрезерованием из плиты.
  • Материал изделия: титановый сплав.
  • Масса исходного изделия: 934 г.
Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ

Основной целью оптимизации кронштейна было обозначено снижение массы изделия при учете ограничений:

  • коэффициент запаса – не ниже 2,0;
  • первая собственная частота – не ниже 10 Гц.

Модель была внесена в базу данных конструкций ИСКПИ и подвергнута топологической оптимизации.

Характеристики оптимизационной модели

Количество элементов

862 тыс.

Количество узлов

165 тыс.

Степеней свободы

494 тыс.

Технология производства

3D-печать на EBM

Материал изделия

Ti6Al4V ELI

 

Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ

Оптимизированная модель кронштейна в результате расчетов в OptiStruct

Оптимизированная модель кронштейна в результате расчетов в OptiStruct.

 

В результате перепроектирования изделия на основе топологической оптимизации в системе удалось значительно снизить массу – до 531 г, то есть оптимизированный кронштейн стал на 43%1,76 раза) легче исходного варианта (величина снижения массы кронштейна составила ∆M = 403 г).

По итогам моделирования была произведена проверка прочности оптимизированного изделия.

Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ

 

Характеристики модели при тестировании

Количество элементов

2,0 млн

Количество узлов

452 тыс.

Степеней свободы

1,4 млн

 

Проверка прочности. Сценарий нагружения X Проверка прочности. Сценарий нагружения X

Проверка прочности. Сценарий нагружения X.

Проверка прочности. Сценарий нагружения Y Проверка прочности. Сценарий нагружения Y

Проверка прочности. Сценарий нагружения Y.

Проверка прочности. Сценарий нагружения Z Проверка прочности. Сценарий нагружения Z

Проверка прочности. Сценарий нагружения Z.

Проведенный расчет прочности продемонстрировал следующие результаты:

  • оптимизированный кронштейн обладает достаточной прочностью, обеспечивающей коэффициент запаса глобально не ниже 2,0 во всех анализируемых сценариях нагружения;
  • значение первой ненулевой собственной частоты кронштейна с установленным рефлектором превышает 10 Гц и составляет 27,6 Гц.

При подготовке кронштейна к аддитивному производству перед печатью учитывались ограничения аддитивного производства.

Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ
Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ

Итоговое изделие – оптимизированный кронштейн, предназначенный для удержания рефлектора на космическом аппарате, – соответствовало всем заданным требованиям. В ближайшее время  кронштейн будет передан заказчику для проведения реальных испытаний.

Итоговое изделие – оптимизированный кронштейн, предназначенный для удержания рефлектора на космическом аппарате Итоговое изделие – оптимизированный кронштейн, предназначенный для удержания рефлектора на космическом аппарате
Итоговое изделие – оптимизированный кронштейн, предназначенный для удержания рефлектора на космическом аппарате Итоговое изделие – оптимизированный кронштейн, предназначенный для удержания рефлектора на космическом аппарате

Актуальность подобных исследований для отрасли иллюстрируется особым значением минимизации массы в конструкциях ракетно-космической техники: стоимость запуска «Протон-М» составляет ~ $ 70 млн, при этом стоимость вывода 1 кг груза на орбиту ~ $ 2 800 для низкой опорной орбиты (НОО) и ~ $ 13 000 для геопереходной орбиты (ГПО). Оптимизированный кронштейн позволяет облегчить конструкцию на 403 г, что уже само по себе имеет вполне реальный экономический эффект. Однако с помощью передовых технологий моделирования и оптимизации под аддитивное производство можно создавать куда более сложные, оптимальные с точки зрения жесткости и минимума массы конструкции, содержащие решетчатые структуры, и подготавливать их для последующей 3D-печати. Задача сегодняшнего дня – самое широкое и системное применение этих технологий, а также подготовка соответствующих специалистов. Задача, которую уже активно решает Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab) СПбПУ.

В апреле 2017 года проект был представлен руководителем группы ТО и АТ, ведущим инженером Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» М.А. Жмайло на IV Международном технологическом форуме «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск), соорганизаторами которого выступили Институт передовых производственных технологий СПбПУ и Инжиниринговый центр CompMechLab СПбПУ.