ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ СТАНОЧНОГО ПРИСПОСОБЛЕНИЯ

TOPOLOGICAL OPTIMIZATION OF MACHINE DEVICE DESIGN

Artem Morgunov

Master student, Department of Mechanical Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch) of the Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

Natalia Pryce

Scientific advisor, candidate of technical sciences, associate professor, Department of Mechanical Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch) of the Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена методике топологической оптимизации детали станочного приспособления в программном обеспечении SolidSimulation. Рассмотрены основные моменты по настройке программного обеспечения, заданию целевых параметров, анализу полученных результатов.

ABSTRACT

This article is devoted to the technique of topological optimization of a part of a machine tool in the SolidSimulation software. The main points on software tuning, setting target parameters, and analyzing the results are considered.

Ключевые слова: solidSimulation, топологическая оптимизация, станочное приспособление, конструкция, имитационное моделирование.

Keywords: solidSimulation, topological optimization, machine tool, design, simulation.

Работа инженера-конструктора в современное время немыслима без знания средств оптимизации конструкции проектируемых изделий. В настоящее время одним из способов проектирования является топологическая оптимизация, которая позволяет определить лучшую конструкцию детали с точки зрения ее прочности и жесткости, снизить массу изделия и его себестоимость.

Топологические исследования представлены в различных программах инженерного анализа, таких как Ansys, SolidWorks и т.д.

Рассмотрим методику проведения топологического расчета в программе SolidSimulation, выполнив исследование топологии корпуса станочного приспособления (см. рисунок 1). Устанавливаемая деталь показана на рисунке красным цветом.

Рисунок 1. Станочное приспособление

Корпус станочного приспособления является сварной конструкцией из листового металла (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Корпус станочного приспособления

В состав сборочной единицы входят следующие детали: пластина верхняя – 1 шт., пластина боковая – 2 шт., пластина лицевая – 2 шт. Пластина верхняя является несущей деталью, на которую устанавливается пневмоприводы и базовые элементы.

Деталь «Пластина верхняя» изготовлена из листовой горячекатаной стали 20 ГОСТ 1050-2013 (см. рисунок 3). Масса детали в исходном состоянии – 66,34 кг.

Рисунок 3. Массовые характеристики детали «Пластина верхняя»

В результате топологического исследования рассчитаем оптимальную конструкцию детали «Пластина верхняя» с учетом поиска цели – облегчение детали на 70%.

До проведения исследования необходимо на нижней стороне детали выделить область, к которой потом будет применено закрепление. Данная область является проекцией привариваемых деталей (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Область проекции привариваемых деталей

Далее необходимо выбрать материал исследуемой детали – сталь 20 ГОСТ 1050-2013. Необходимо отметить, что все физико-технические характеристики материала соответствуют стандарту на листовой прокат данной марки стали.

Объем нашей детали будет объемом проектирования, то есть в данном объеме точек тела программа будет осуществлять поиск оптимальной конструкции детали в зависимости от заданных параметров внешних воздействий.

Изначально необходимо задать закрепление детали в пространстве. В нашем случае считается, что деталь жестко закреплена по выделенной ранее поверхности. Именно к ней необходимо задать условия закрепления – зафиксированная геометрия (см. рисунок 5).

Далее необходимо определиться с силовыми параметрами, которые оказывают влияние на деталь. В нашем случае на деталь устанавливается заготовка массой 41,03 кг, что соответствует силе тяжести 402,5 Н.

Рисунок 5. Зафиксированная геометрия исследуемой детали

Центр приложения данной силы рассчитан программой автоматически и располагается в центре тяжести данной детали. Таким образом, на исследуемую деталь оказывается воздействие в 402,5 Н, которое приложенное в центре тяжести устанавливаемой детали (см. рисунок 6).

Рисунок 6. Сила и поверхность приложения

Необходимо отметить, что сила закрепления не оказывает влияния на деталь, так как пневмоцилиндры установлены на эту же деталь с противоположной стороны. Массой пневмосистемы в данном исследовании пренебрежем.

Для запуска топологической оптимизации необходимо задать цель исследования. В нашем случае целью исследования будет являться поиск оптимальной конструкции детали с наилучшим отношением жесткости к массе. Необходимо отметить, что масса детали должна быть снижена на 70% и возникающие напряжения не должны превышать 50% от предела текучести стали 20 ГОСТ 1050-2013. В данном случае в программе были сконфигурированы две цели (см. рисунок 7).

Рисунок 7. Искомые цели исследования

После указания целей топологического исследования необходимо сконфигурировать параметры производственного контроля. Их несколько.

Во-первых, точки исследуемого объема деталей вокруг устанавливаемых компонентов пневмосистемы не должны участвовать в исследовании. Таким образом необходимо задать несколько сохраненных областей (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Сохраненная область вокруг толкающих пневмоцилиндров

Во-вторых, аналогичные области должны быть заданы вокруг закрепляющего пневмоцилиндра и оправки (см. рисунок 9).

Рисунок 9. Сохраненная область вокруг закрепляющего пневмоцилиндра и оправки

В-третьих, так как деталь приваривается к сопряженным деталям корпуса, то необходимо задать сохраненную область по периметру детали (см. рисунок 10).

Рисунок 10. Сохраненная область по периметру детали

В-четвертых, необходимо задать сохраненную область по периметру грани, к которой приложена внешняя сила  (см. рисунок 11).

Рисунок 11. Сохраненная область грани внешней силы

Так же необходимо задать симметрию детали относительно центральной плоскости (см.рисунок 12).

Рисунок 12. Управление симметрией

Далее необходимо задать элемент управления толщиной искомых конструктивных элементов исследуемой детали. Примем значение на уровне 50 мм (см. рисунок 1.13).

Рисунок 13. Параметр управления толщиной

Для поиска оптимальной конструкции с помощью топологической оптимизации используется метод конечных элементов, то есть необходимо создать расчетную сетку (см. рисунок 1.14).

Рисунок 14. Сетка конечных элементов (КЭ)

После задания всех входных параметров исследуемой модели необходимо выполнить расчет топологической оптимизации и рассмотреть получившиеся эпюры результатов.

Рассмотри эпюру «Масса материала» (см. рисунок 15.)

Рисунок 15. Масса материала

По данной эпюре видна оптимальная конструкция детали. Масса оптимальной конструкции равна 20,788 кг, что составляет 29% от первоначальной массы детали.

По данной эпюре так же видны сохраненные области вокруг мест установки пневмокомпонентов и по периметру детали.

Рассмотрим эпюру напряжения топологии (см. рисунок 16).

Рисунок 16. Эпюра напряжения топологии

По данной эпюре видно, что максимальное напряжение равно 10,32 МПа, что существенно меньше предела текучести стали 20 ГОСТ 1050-2013 – 250 МПа. Таким образом, конструкция детали работоспособна.

Рассмотрим эпюру перемещения топологии детали (см. рисунок 17)

Рисунок 17. Эпюра перемещения топологии детали

По данной эпюре видно, что деталь деформируется на 0,03 мм. После снятия внешнего воздействия деталь вернет свою первоначальную форму.

Необходимо отметить, что минимальный коэффициент запаса прочности конструкции детали, найденной в результате топологической оптимизации равен 24 (см. рисунок 18).

Рисунок 18. Эпюра коэффициента запаса прочности топологии

В результате топологической оптимизации была найдена оптимальная конструкция детали «Пластина верхняя» (см. рисунок 19).

Рисунок 19. Оптимизированная конструкция детали «Пластина верхняя»

Рассмотрим модернизированную конструкцию станочного приспособления (см. рисунок 20).

Рисунок 20. Оптимизированная конструкция станочного приспособления

Вывод: в результате проведенной топологической оптимизации конструкции корпуса станочного приспособления в части поиска оптимальной конструкции детали «Пластина верхняя» удалось добиться снижения массы изделия на 45,552 кг при равной жесткости. Предложенная методика проведения топологического расчета может быть расширена на различные конструкции изделий.

Список литературы:

1. SOLIDWORKS SimulationHelp: официальный сайт. – URL: http://help.solidworks.com/2018/english/solidworks/cworks/idc_help_helptopics.htm (дата обращения: 13.09.2021)