Перепроектирование кронштейна рефлектора на основе топологической оптимизации с применением ИСКПИ (2017 г.)

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 исполнитель – заместитель 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.

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

 

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% (в 1,76 раза) легче исходного варианта (величина снижения массы кронштейна составила ∆M = 403 г).

По итогам моделирования была произведена проверка прочности оптимизированного изделия.

 

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 Y.

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.

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.

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.