Прикладная топология как инструмент оптимизации массогабаритных параметров деталей, изготовленных штамповкой, при заданных параметрах шума, вибрации и жёсткости

Введение (постановка задачи и актуальность). Масса автомобиля в эпоху необходимости решения экологических проблем является не только весомым конкурентным аргументом, но и обеспечивает техническое преимущество транспортного средства. Большое внимание в решении проблем по снижению массы автомобиля уделяется крупногабаритным деталям и узлам, но при этом необоснованно игнорируются небольшие детали, такие как кронштейны различной формы. Топологический анализ на основании CAE-вычислений позволяет снизить массу простых по своей форме изогнутых кронштейнов и значительно повысить показатели локальной динамической жёсткости (ЛДЖ), а также шума, вибрации и жёсткости (NVH). Основная проблема оптимизации заключается в том, что разработанные концепции проектирования требуют современных технологий производства.

Цель исследования – разработка методики по проектированию максимально лёгких, жёстких, технологичных и функциональных кронштейнов, соответствующих заданным требованиям ЛДЖ и NVH.

Методология и методы. Известны разные подходы оптимизации конструкции изделий. При анализе кронштейнов были использованы три основных расчётных случая: 1) анализ динамической нагрузки, когда моделируется кронштейн, закреплённый по точкам крепления на кузове и прикладывается усилие; 2) анализ собственной частоты вибрации кронштейна, которая должна быть больше целевого показателя, обычно составляющего 40–50 Гц; 3) локальный анализ динамической жёсткости, когда кронштейн закрепляется по точкам крепления на кузове и прикладывается единичная нагрузка.

Результаты и научная новизна. Работа выполнена на основе изучения методик для работы с поверхностями и их формой. Был разработан алгоритм для решения проблем увеличения показателей частотных характеристик, ЛДЖ, напряжённых состояний (увеличение толщины металла или уход в высокопрочные стали).

Практическая значимость. Снижение массы автомобиля без ухудшения его эксплуатационных характеристик за счёт оптимизации кронштейнов.

1. Rakhmatov R.I., Krutolapov V.E. Development of vehicle noise-vibration-harshness analysis calculation method in order to improve NVH characteristics / IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021 International Symposium “Earth Sciences: History, Contemporary Issues and Prospects, ESHCIP 2021”. – 2021. – V. 867. – Р. 012106. EDN: IPLFWZ.

2. Левенков Я.Ю., Устинова А.М., Чичекин И.В., Вдовин Д.С. Влияние нагрузочных режимов на силовые схемы несущих элементов карьерных самосвалов, полученные с использованием метода топологической оптимизации // Труды НАМИ. – 2022. – № 2 (289). – С. 73–88. EDN: SAGQZX.

3. Armentani E., Giannella V., Parente A., Pirelli M. Design for NVH: Topology optimization of an engine bracket support // Procedia Structural Integrity. – 2020. – No. 26. – P. 211–218.

4. Вахидов У.Ш., Шапкин В.А., Шапкина Ю.В. Анализ виброакустических параметров автомобиля // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. – 2013. – № 4 (101). – С. 104–֪109. EDN: SEZWWN.

5. Супотницкий Е.С., Курносов В.Е., Андреева Т.В. Топологическая оптимизация конструкций в области проектирования // Научное обозрение. Педагогические науки. – 2019. – № 3-2. – С. 91–95. EDN: KXITBO.

6. Wagner M., Jahn A., Beyer E., Balzani D. Design and optimization of steel car body structures via local laser-strengthening // Engineering. – 2016. – No. 8. – P. 276–286.

7. Пичугова Л.Н., Корнеева Н.К. Устойчивость сжатых стержней: методические указания для самостоятельной работы студентов строительных и механических специальностей и направлений всех форм обучения. – Севастополь: СевГУ, 2023. – 30 с.

8. Башин К.А., Торсунов Р.А., Семенов С.В. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющиеся в аэрокосмической отрасли // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. – 2017. – № 51. – С. 50–61. EDN: YLCZKI.

9. Kim Y.H., Tan A., Yang B.S., Kim W.Ch. Optimum shape design of rotating shaft by ESO method // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2007. – V. 21, iss. 7. – Р. 1039–1047.

10. Jikai Liu, Yongsheng Ma. A survey of manufacturing oriented topology optimization methods // Advances in Engineering Software. – 2016. – V. 100. – P. 161–175.

11. Bendsøe M., Kikuchi N. Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. – 1988. – No. 71 (2). – P. 197–224.

12. Правила ООН № 14. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении креплений ремней безопасности, систем креплений ISOFIX и креплений верхнего страховочного троса ISOFIX.