Введение

Предметом исследования в работе является топологическая оптимизация проставки переходного отсека космического аппарата. Обоснована актуальность применения конечно-элементной топологической оптимизации [1] и приведены примеры применения её в практике [6,7]. Утверждается, что используя этот метод совместно с аддитивными технологиями (3д-печать) возможно создать конструкции с лучшими весовыми характеристиками. Целью исследования является изучение параметров алгоритмов топологической оптимизации и влияние их вариаций на получаемую конструкцию.

1. Описание задачи

Численные расчёты проводились в коммерческом программном комплексе Altair HyperWorks/OptiStruct. Подробно описана конечно-элементная модель исследуемого объекта.

Основные особенности предложенной модели:

–       простата, не имеет сложной геометрии;

–       построение конечно-элементной модели с учётом минимизации машинного времени;

–       использование сосредоточенных масс для моделирования воздействий сопряженных объектов на проставку;

–       сниженный на порядок предел прочности материала для устранения концентраторов напряжения;

–       использование максимальных перегрузок, действующих со стороны РН Ангара А5 [8].

2. Метод решения

Приведено краткое описание SIMP-метода, используемое в программе.

3. Полученные результаты

Проведены численные расчёты и показано влияние вариаций параметров алгоритма (DISCRETE, MATINIT, MINDIM, MAXDIM) на конструкцию, а также использование параметров SINGLE и SPLIT, показывающие ограничения на производство.

Показано, что в зависимости от вариаций параметров проставка стремится к ферменной или оболочной конструкции. Описано, как проконтролировать размеры получаемых стенок, стержней, а также как получить нужный тип конструкции.

Проведён проверочный расчёт на прочность, доказывающий работоспособность конструкции. Результаты исследования сведены в таблицу.

4. Заключение

Полученные результаты говорят о необходимости варьирования параметров алгоритма топологической оптимизации. Получилось несколько вариантов рациональной конструкции, которые будут в дальнейшем более детально оптимизированы (оптимизация формы и размеров) и проработаны в CAD-системе.

В результате работы расчётную массу конструкции удалось снизить более чем на 30%.

Introduction

The subject of this research is topology optimization of the adapter of a spacecraft transfer compartment. The finite element topology optimization [1] is widely used for simple structure elements [6, 7]. It is argued that using this method in conjunction with additive technology (3D - printing) it is possible to create construction designs with the best weight characteristics. However, the paper shows that when applying this method to a complex construction design the optimization results are highly sensitive to optimization algorithm parameters. The goal of this research is to study parameters of the topology optimization algorithm and the influence of their variations on results.

1. 1.      Problem formulation

   A commercial software Altair HyperWorks/OptiStruct (student’s license) performed numerical calculations. The paper presents a detailed description of the finite element model.

The main features of the proposed model are as follows:

-          Simplicity with non-complicated geometry;

-          Building a finite element model in terms of computing time minimization;

-          Using the lumped mass elements to simulate the impacts of the conjugates on the adapter;

-          A limit of material strength, decreased by an order of magnitude, to eliminate stress concentrators;

-          The gravitational load applied corresponds to the loads for the Angara-A5 launcher [8].

1. 2.      Method of solution

A brief description of the SIMP-method realized in the Altair HyperWorks/OptiStruct software is given.

1. 3.      Results

Performed numerical calculations, and shown the influence of variations of algorithm parameters (DISCRETE, MATINIT, MINDIM, MAXDIM) on construction design as well as the parameters SINGLE and SPLIT used to reveal restrictions on manufacturing.

Shown that, depending on variations of parameters, an adapter construction strives to «truss» or «shell» type. Described how to control dimensions of walls, rods, as well as how to achieve the correct type of the construction design.

 Strength calculation verification proved the construction performance. The table summarizes the results obtained.

1. 4.      Conclusion

The results show that there is a need to vary the parameters of the topology optimization algorithm. There are few variants of the rational construction design for more detailed (shape and size) optimization and investigation in the CAD-system.

The final construction mass was reduced by more than 30% against the prototype that seems to be very promising for space application.