31 KiB
Опыт применения GitHub в топологической оптимизации поворотного кулака передней подвески снегохода Фронтьер 1000
Шадриков Матвей Михайлович, учащийся 10-го класса МОУ СОШ №4 (г. Рыбинск);
Научные руководители:
Баранова Екатерина Дмитриевна, педагог дополнительного образования
Рыбинский филиал ГОАУ ДО ЯО ЦДЮТТ (детский технопарк
«Кванториум76»);
Пуказов Ярослав Геннадьевич, инженер-конструктор АО «Русская
механика»
В данной статье ученик 10-го класса МОУ СОШ №4 (г. Рыбинск) описывает процесс по топологической оптимизации поворотного кулака передней подвески снегохода Фронтьер 1000 в программном модуле APM FEM работающем на базе Компас-3D, а также опыт применения системы контроля версий Git, в связке с платформой GitHub, в данной работе.
Ключевые слова: APM FEM, топологическая оптимизация, Компас-3D, система контроля версий, Git, GitHub, передняя подвеска снегохода, поворотный кулак, Фронтьер 1000.
Топологическая оптимизация – это метод, используемый в инженерии и производстве, который позволяет оптимизировать форму и структуру объектов с использованием минимального количества материала. Этот метод основан на анализе и изменении распределения материала внутри объекта с целью достижения оптимальных механических свойств при максимальной жесткости или минимальной массе конструкции. В процессе работы над проектом проведен анализ существующих моделей подвесок снегоходов и исследованы их характеристики с целью определения проблемных зон и улучшения их производительности. Рассмотрены алгоритмы топологической оптимизации и функционирование реализующего их программного обеспечения. Затем применена методика топологической оптимизации для определения оптимальной формы и структуры подвески, учитывая механические нагрузки, требования к прочности и жесткости.
ЦЕЛЬ ПРОЕКТА
В данном проекте мы рассмотрим практическое применение российских программ для 3D-моделирования и инженерного анализа на примере детали рычага из подвески снегохода. Цель - освоить инструменты для создания модели, проведения расчетов на прочность и оптимизации ее конструкции.
Для создания трехмерной модели рычага будет использоваться отечественная САПР КОМПАС-3D. Анализ прочности и топологическая оптимизация будут выполнены в специализированном модуле - Системе прочностного анализа APM FEM, которая интегрируется с КОМПАС-3D.
ЗАДАЧИ ПРОЕКТА
Разработка улучшенной модели поворотного кулака снегохода будет состоять из нескольких этапов:
1. Анализ требований:
• В первую очередь, необходимо детально изучить, как различные условия эксплуатации влияют на требования к поворотному кулаку снегохода.
• Важно определить необходимые показатели прочности, жесткости и долговечности для разных типов местности, где будет использоваться снегоход.
2. Проектирование базовой модели:
• С учетом полученной информации, в программе КОМПАС-3D будет создана первоначальная модель поворотного кулака, отвечающая заданным требованиям.
3. Оптимизация формы и распределения материала:
• С помощью модуля APM FEM будет проведена топологическая оптимизация базовой модели.
• Этот метод позволит определить оптимальную форму поворотного кулака и распределение материала для достижения минимальной массы при сохранении необходимых прочностных характеристик.
4. Создание и анализ оптимизированной модели:
• На основе результатов топологической оптимизации, в КОМПАС-3D будет создана усовершенствованная модель поворотного кулака.
• APM FEM позволит провести детальный анализ ее прочности при различных нагрузках и условиях.
5. Тестирование и сравнение:
• Финальным этапом станет виртуальное тестирование оптимизированной модели в различных условиях эксплуатации.
• Сравнение результатов с базовой моделью позволит оценить эффективность примененного подхода и преимущества новой конструкции.
ГЛАВА 1. Необходимые программы и аппаратное обеспечение
Для моделирования, анализа прочности и топологической оптимизации необходимы программы: КОМПАС-3D, APM FEM. Требования к системе для работы: Минимально необходим компьютер с операционной системой Windows 10 или 11, обладающий 8 Гб оперативной памяти, видеокарта с поддержкой OpenGL 2, остальные параметры минимально возможной конфигурации компьютера для установки и запуска КОМПАС-3D определяются минимальным системным требованиям для соответствующих операционных систем.
1.1. Установка КОМПАС-3D
Для создания трехмерной модели поворотного кулака в рамках проекта была выбрана система трёхмерного моделирования КОМПАС-3D, разработанная компанией АСКОН. КОМПАС-3D широко используется тысячами предприятий благодаря сочетанию интуитивно понятного интерфейса и мощных инструментов твердотельного и поверхностного моделирования.
Важным преимуществом КОМПАС-3D является использование собственного математического ядра и параметрических технологий, что обеспечивает высокую точность и гибкость моделирования.
Для получения лицензии на использование программного обеспечения в рамках проекта было установлено сотрудничество с региональным представительством компании АСКОН - ООО «АСКОН-ЦР», которые любезно предоставили доступ к необходимым инструментам.
1.2. Установка APM FEM
Для проведения анализа прочности и топологической оптимизации в проекте будет использоваться система APM FEM. Данное программное обеспечение разработано специально для работы в связке с КОМПАС-3D и зарегистрировано в «Реестре российских программ для ЭВМ и баз данных».
APM FEM позволяет конструктору уже на ранних этапах проектирования проводить анализ прочности создаваемых 3D-моделей, принимать обоснованные конструктивные решения и повышать качество изделия. Это значительно сокращает время разработки и способствует созданию конкурентоспособной продукции.
Лицензию на использование APM FEM в рамках проекта предоставила компания-разработчик НТЦ «АПМ», с которой было установлено сотрудничество.
1.3. Создание аккаунта на GitHub и установка GitHub Desktop
Для удобства работы над проектом и хранения всех данных был создан репозиторий на платформе GitHub. Исходные файлы с геометрией деталей снегохода, любезно предоставленные производителем АО «Русская механика», были загружены в данный репозиторий.
Для взаимодействия с репозиторием и синхронизации файлов использовалось бесплатное приложение GitHub Desktop. Все промежуточные и финальные результаты работы также сохранялись в этом репозитории, что обеспечило удобство доступа и контроля версий проекта.
ГЛАВА 2. Топологическая оптимизация.
Получив доступ к необходимому программному обеспечению, мы приступили к углубленному изучению теоретических основ топологической оптимизации. Особое внимание было уделено принципам работы алгоритмов и их практической реализации в программном коде.
Вооружившись знаниями, мы смогли перейти к практической части проекта - оптимизации рычага подвески снегохода.
2.1. Построение 3D-модели
На представленной трехмерной модели снегохода отчетливо виден поворотный кулак – деталь сложной формы, играющая ключевую роль в работе передней подвески. Располагаясь в ее нижней части, поворотный кулак служит связующим звеном между несколькими важными компонентами:
Рама снегохода: Верхняя часть поворотного кулака прочно закреплена на раме, обеспечивая необходимую подвижность всей конструкции подвески.
Амортизатор и пружина: Несмотря на то, что крепление амортизатора на представленной модели отсутствует, логично предположить его соединение с поворотным кулаком или с непосредственно примыкающим к нему рычагом подвески.
Шаровая опора: В нижней части поворотного кулака отчетливо просматривается сопряжение с шаровой опорой, через которую происходит передача нагрузок между лыжей и рамой снегохода, обеспечивая контакт лыжи с поверхностью и гашение вибраций.
Таким образом, поворотный кулак представляет собой важнейший элемент передней подвески снегохода, от его прочности, жесткости и массы напрямую зависят ходовые качества и управляемость машины. Именно поэтому данный элемент был выбран в качестве объекта топологической оптимизации. Применение данного метода позволит снизить вес поворотного кулака без ущерба для его функциональных свойств, что положительно скажется на общих характеристиках снегохода.
2.2. Панель расчета. APM FEM.
Можно приступать к основным этапам создания расчетной модели. Переходим в APM FEM и выбираем “Удаленное закрепление”. С помощью него мы сможем моделировать резинометаллические шарниры. Задаём удалённые закрепления со следующими параметрами.
Также необходимо закрепить деталь снизу. Фиксируем вращение только по Y
2.3. Моделирование приложения нагрузок. Комбинации загружений. Расчётные случаи.
Задаём загружения на поворот лыжи.
Также задаём загружения на сопротивление движению передающиеся от лыжи.
Всего их 3:
Параметры загружений.
Следующим шагом будет создание комбинаций загружений для нашей детали. Важно задать максимально возможное количество корректных комбинаций, так как это напрямую влияет на точность оптимизации. Чем больше вариантов нагрузок мы учтем, тем эффективнее и надежнее будет итоговый дизайн.
При подборе комбинаций загружений учитываются как стандартные сценарии эксплуатации детали, так и ситуации с повышенными нагрузками, например, езда по асфальту, где трение значительно возрастает.
2.4. Задание материала.
В программе APM FEM выбираем раздел "Материал" и назначаем для всей детали материал "Материал на основе Д16Т". Не забудьте указать все необходимые параметры этого материала.
2.5. Генерация конечно-элементной сетки.
Конечно-элементная сетка — это основа для проведения расчетов методом конечных элементов. Она представляет собой набор точек (узлов сетки), соединенных между собой линиями, которые формируют конечные элементы. На каждом из этих элементов определены функции формы, необходимые для аппроксимации решения.
Чтобы сгенерировать КЭ сетку в программе APM FEM, перейдите в раздел "Генерация КЭ сетки" и укажите необходимые параметры.
Устанавливаем максимальную длину стороны элемента равной 10 мм. Это оптимальный размер сетки для данной конструкции, обеспечивающий баланс между точностью расчета и вычислительной сложностью.
Важно: выбираем 4-узловые тетраэдры, поскольку 10-узловые элементы значительно увеличивают время расчета топологической оптимизации без существенного повышения точности.
Ставим галочку "Для топологической оптимизации", чтобы получить равномерную сетку, необходимую для корректного построения равнотолщиных элементов.
Запускаем генерацию КЭ сетки. Теперь у нас есть готовое конечно-элементное разбиение для дальнейших расчетов.
2.6. Статический расчет. Карта результатов.
Перед тем как перейти к оптимизации, важно убедиться в корректности созданной модели и настроек. Для этого проводим статический расчет.
Во вкладке "Разбиение и расчет" нажимаем кнопку "Расчет" и выбираем тип расчета "Линейная статика".
После завершения расчета, открываем карту результатов для анализа полученных данных.
Проанализируем полученные результаты, например, изучим карту перемещений для загружения 0. Это позволит нам оценить поведение конструкции под действием данной нагрузки и выявить потенциальные проблемные зоны. Перемещения составляют сотые доли милиметра.
Полученные максимальные напряжения составляют 20 МПа. Важно отметить, что для подобных конструкций в реальных условиях эксплуатации типичны значения напряжений порядка 150-200 МПа.
Однако, на данном этапе проектирования мы работаем с максимально возможной областью для распределения материала, учитывая необходимые зазоры и сопряжения с другими деталями.
Статический расчёт показал корректность модели и настроек, поэтому мы можем перейти к этапу топологической оптимизации.
2.7. Топологическая оптимизация.
Целью топологической оптимизации является поиск наиболее жесткой конструкции с учетом заданных ограничений.
Основные параметры оптимизации:
• Задача: Максимизация жесткости по всем расчетным случаям.
• Ограничение по объему: 30% от объема исходной заготовки (значение по умолчанию).
• Контроль напряжений: Максимальные напряжения не должны превышать предел текучести материала.
Настройка параметров в программе:
• В разделе "Топологическая оптимизация" выбираем задачу "Максимизация жесткости".
• Указываем тело заготовки рычага в качестве области проектирования.
• Задаем ограничение по объему – 30%.
• Активируем опцию "Ограничение минимальной толщины".
• Устанавливаем минимальную толщину равной 20 мм (двойной габарит конечного элемента с учетом выбранного шага сетки 10 мм).
Такая настройка позволит получить оптимизированную конструкцию с учетом технологических ограничений на минимальную толщину стенок.
В качестве расчетных случаев указываем каждое из загружений, которое ввели ранее.
Во вкладке “Топологическая оптимизация” выбираем параметры расчета, указываем оптимизатор «OC». Количество итераций по умолчанию– 150.
Перед запуском топологической оптимизации необходимо перегенерировать конечно-элементную сетку, чтобы обновить данные для расчета.
После завершения первого этапа оптимизации анализируем полученную модель. Для более детального контроля напряжений добавляем отклик "Глобальное напряжение" для всех расчетных случаев. Устанавливаем ограничение по напряжению с запасом, чтобы визуально контролировать зоны повышенных напряжений.
Для повышения эффективности оптимизации изменяем алгоритм на "NLOPT_NEW".
2.8. Анализ результатов топологической оптимизации и их сохранение.
Переходим в карту результатов, выбираем тип расчета "Топологическая оптимизация" – объемная доля.
На данном этапе мы можем оптимизировать геометрию, удаляя конечные элементы с объёмной долей близкой к 0. Это позволит избавиться от "лишнего" материала, который практически не участвует в работе конструкции.
Установим значение отсечки 0.65. Это позволит убрать элементы с низкой плотностью материала и получить более четкую картину распределения материала в оптимизированной конструкции.
Для более детальной проработки геометрии детали можно выполнить несколько итераций с разными значениями отсечки.
В результате мы получим наглядную модель оптимизированной детали, готовую к дальнейшему анализу и доработке.
Финальный контроль и экспорт модели:
• Проверка напряжений: Перед экспортом модели необходимо убедиться, что максимальные напряжения во всех расчетных случаях не превышают предел текучести материала при заданном ограничении по объему (30%).
• Экспорт модели: Готовую модель детали можно экспортировать в формате STL для передачи конструктору.
• Просмотр модели: Файл STL можно открыть и просмотреть в любой программе для работы с 3D-моделями.
Таким образом, мы получили оптимизированную модель детали, готовую для дальнейшей работы конструктора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе данного проекта я углубил свои знания в области топологической оптимизации, изучив теоретические основы, освоив программное обеспечение КОМПАС-3D с приложением APM FEM и подробно описав весь процесс оптимизации. Предложенный метод, основанный на минимизации энергии деформации, позволяет эффективно находить оптимальные конструктивные решения с максимальной жесткостью при заданных ограничениях на объем и напряжения. Результаты проекта, включая исходный код и примеры применения, опубликованы на моем аккаунте GitHub.
Дальнейшее развитие проекта вижу в реализации дополнительных возможностей, таких как: решение задачи оптимизации по критерию минимальной массы, а также исследование и внедрение алгоритмов многокритериальной оптимизации для учета различных противоречивых требований к конструкции.
Литература: