Совместное применение метода топологической оптимизации и аддитивных технологий для быстрой модернизации несущих систем колёсных машин

Введение (постановка задачи и актуальность). В процессе доводки или модернизации транспортных средств неизбежно возникают изменения в их компоновке или составе агрегатов. Процесс перепроектирования несущей системы при этом должен быть эффективен по времени и минимален по количеству изменений, но при этом сохранять в конструкции необходимый запас прочности, уровни долговечности и жёсткости. Совместное применение метода топологической оптимизации и аддитивных технологий (например, литьё металлов в 3D-печатные песчаные формы) может обеспечить выполнение таких требований без сильного роста массы несущей системы.

 Цель исследования – оценка трудоёмкости процесса модернизации несущих систем в условиях частого изменения компоновок и агрегатов с помощью совместного применения метода топологической оптимизации и аддитивных технологий, а также сравнение этого процесса с традиционным проектированием, основанным на ручном конструировании несущих систем с использованием сортамента (листов, профилей) и сборочных операций (клёпка, сварка и т.п.).

 Методология и методы. Объектом исследования является несущая рама беспилотной грузовой тележки, спроектированная методом топологической оптимизации. В конструкции этой тележки были изменены агрегаты – рулевой механизм и системы привода, что потребовало доработки несущей системы под новую компоновку машины. Разработан и описан метод быстрой доводки несущей системы под новое компоновочное пространство с использованием топологической оптимизации с учётом изготовления аддитивным методом – литьё алюминиевого сплава АК7ч в напечатанные на 3D-принтере песчаные формы.

 Результаты и научная новизна. Представлены результаты проверочных расчётов вновь спроектированной и исходной рам на прочность, жёсткость, устойчивость. Проведён сравнительный анализ исходной и модернизированной геометрии рамы. Перечислены преимущества и особенности совместного применения метода топологической оптимизации и аддитивных технологий по сравнению с ручным проектированием с применением традиционных технологий. Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная методика доводки несущих систем позволяет значительно ускорить процесс адаптации конструкций под часто изменяющиеся компоновки. Показано, что получаемые данным методом конструкции не ухудшают массовые и прочностные характеристики несущих систем, а их геометрия не имеет глобальных изменений в силовой схеме.

1. Bailo C., Modi S., Schultz M., Fiorelli T., Smith B., Snell N. Vehicle mass reduction roadmap study 2025-2035 / Center for automotive research, 2020. URL: https://www.cargroup.org/wp-content/uploads/2021/04/Mass-Reduction-roadmap-report-final-Nov10.pdf (дата обращения: 14.03.2025).

2. Czerwinski F. Current trends in automotive light-weighting strategies and materials // Materials. – 2021. – V. 14 (21) – P. 66331.

3. Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology optimization: theory, methods and applications. – New York: Springer Verlag, 2003. – 271 p.

4. Косых П.А., Азаров А.В. Теория и анализ методов топологической оптимизации // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2023. – № 4 (136). DOI: 10.18698/2308-6033-2023-4-2264. EDN: RPCYKS.

5. Lu L., Liu B., Mao E., Song Z., Chen J., Chen Y. Design and optimization of high ground clearance self-propelled sprayer chassis frame // Agriculture. – V. 233. – Iss. 13. – P. 1–19.

6. Шаболин М.Л. Оптимизация конструкции и экспериментальное исследование напряжённо-деформированного состояния балансира задней подвески вездеходного транспортного средства // Известия МГТУ МАМИ. – 2020. – № 4 (46). – С. 101–104. DOI: 10.31992/2074-0530-2020-46-4-101-114. EDN: ENBXCB.

7. Левенков Я.Ю., Лебедев Д.Р. Использование методов топологической оптимизации на ранних стадиях проектирования несущей системы снегохода // Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация. – 2023. – № 4. – С. 21–29. EDN: NQZOJL.

8. Komarov V., Kurkin E., Spirina M., Kishov E. Estimation of weight efficiency of topologically optimal aerospace structures / 9th International conference on recent advances in space technologies (RAST). – Istanbul, 2019. – Р. 95–101. DOI: 10.1109/RAST.2019.8767783.

9. Ткаченко И.С., Куркин Е.И., Лукьянов О.Е., Кишов Е.А., Галинсога-Самора Х., Смелов В.Г., Чертыковцева В.О. Проектирование силовых конструкций с использованием топологической оптимизации и технологии аддитивного производства // Онтология проектирования. – 2022. – Т. 12, № 4 (46). – С. 532–546. DOI: 10.18287/2223-9537-2022-12-4-532-546. EDN: STVTAV.

10. Левенков Я.Ю., Чичекин И.В., Вдовин Д.С., Нырков Ф.А., Душкин М.А., Попова К.В. Проектирование направляющего аппарата подвески из алюминиевых сплавов для многоцелевого беспилотного транспортно-технологического средства с использованием метода топологической оптимизации // Труды НАМИ. – 2023. – № 2 (293). – С. 42–59. DOI: 10.51187/0135-3152-2023-2-42-59. EDN: EGSVCS.

11. Русская механика. РМ 800 Т мотовездеход / снегоболотоход. URL: https://go-rm.ru/rm_800_t_overview.html (дата обращения: 05.09.2024).

12. Левенков Я.Ю., Чичекин И.В., Вдовин Д.С., Душкин М.А., Бяков К.Е. Прогнозирование долговечности элементов шасси беспилотных транспортно-технологических средств с учётом влияния жесткостных параметров несущей системы // Труды НАМИ. – 2025. – № 1 (300). – С. 17–30. EDN: FQAXYX.