Разработка и экспериментальное подтверждение метода многофазной топологической оптимизации для аддитивного производства закладных элементов в конструкциях аэрокосмического назначения из короткоармированных композиционных материалов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10309

НазваниеРазработка и экспериментальное подтверждение метода многофазной топологической оптимизации для аддитивного производства закладных элементов в конструкциях аэрокосмического назначения из короткоармированных композиционных материалов

Руководитель Куркин Евгений Игоревич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" , Самарская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова композиционный материал, короткие волокна, параметрическая оптимизация, топологическая оптимизация, аддитивные технологии, прочность, жесткость, испытание, литье под давлением

Код ГРНТИ61.61.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение проблемы оптимального проектирования и производства закладных элементов в конструкциях из короткоармированных композиционных материалов. Снижение массы закладных элементов, входящих в большинство соединений деталей, приводит к росту весовой эффективности изделий, что определяет актуальность проводимого исследования. Аддитивные технологии производства позволяют наиболее полно реализовать потенциал топологической оптимизации. Проект предполагается провести в три этапа. Первый год реализации проекта посвящен определению основных размеров закладных элементов с помощью параметрической оптимизации и экспериментального определения величины шероховатости поверхности закладных элементов для обеспечения наилучшей адгезии к основному материалу детали. Второй год реализации проекта посвящен разработке и экспериментальной верификации метода многофазной топологической оптимизации металлических закладных элементов в окружении короткоармированного композита в изотропной постановке и определению наилучшего типа решетчатых структур на границе закладных элементов. Третий год реализации проекта посвящен разработке и экспериментальной верификации метода многофазной топологической оптимизации металлических закладных элементов в анизотропной постановке, учитывающей механические характеристики окружающего короткоармированного композита определяемые литьем под давлением. Традиционные подходы к проектированию и изготовлению закладных элементов предполагают использование типовых форм и далеки от совершенства с точки зрения массы и обеспечения качественной адгезии закладных элементов к основному материалу детали. Топологическая оптимизации в классической постановке подразумевает работу с одним материалом в области проектирования и не позволяет учесть жесткость материала, окружающего силовые элементы конструкции. Научная новизна исследований заключается в: - многофазном подходе к топологической оптимизации, учитывающей анизотропные механические характеристики окружающего короткоармированного композита; - многодисциплинарном решении задачи напряженно-деформированного состояния окружающего закладной элемент короткоармированного композита, учитывающее зависимость жесткости и прочности материала от гидродинамики литья под давлением; - способе использования решетчатых структур для обеспечения прочного соединения закладного элемента с основным материалом детали; - экспериментальном определении требуемой шероховатости закладных элементов и ее обеспечение с использованием аддитивных технологий производства.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Куихада-Плокуинто Х.Г., Куркин Е.И., Чертыковцева В.О. Прогнозирование геометрии инжекционных каналов для термопластичных жидкостей с использованием глубокого обучения на основе вариационного автоэнкодера 21-я Международная конференция «Авиация и космонавтика». 21-25 ноября 2022 года. Москва. Тезисы., С. 371 (год публикации - 2022)

2. Чертыковцева В.О., Куркин Е.И. Расчет и оценка влияния адгезионного слоя на несущую способность конструкций с закладными элементами 21-я Международная конференция «Авиация и космонавтика». 21-25 ноября 2022 года. Москва. Тезисы., С. 433 (год публикации - 2022)

3. Куркин Е.И., Кишов Е.А., Чертыковцева В.О. Influence of cohesive zone model parameters of polymer lugs with metal bushing on their geometrical and mass characteristics Aerospace Systems (год публикации - 2023)

4. Эспиноса Барсенас О.У., Куихада Плокуинто Х.Г., Куркина Е.В., Лукьянов О.Е. Surrogate Aerodynamic Wing Modeling Based on a Multilayer Perceptron Aerospace, 10(2), 149 (год публикации - 2023)
10.3390/aerospace10020149

5. Чертыковцева В.О., Эспиноса Барсенас О.У., Куихада Пиокуинто Х.Г., Кишов Е.А., Куркин Е.И. Выбор алгоритма оптимизации размеров проушин с втулкой с учетом адгезии XVII Королевские чтения: материалы Всероссийской молодёжной научной конференции с международным участием, посвящённой 35-летию со дня первого полёта МТКС «Энергия – Буран», 3–5 октября 2023 г. В 2 томах. Том 1, XVII Королевские чтения: материалы Всероссийской молодёжной научной конференции с международным участием, посвящённой 35-летию со дня первого полёта МТКС «Энергия – Буран», 3–5 октября 2023 г., Том 1, С. 339-340 (год публикации - 2023)

6. Куркин Е.И., Кишов Е.А., Куихада Пиокуинто Х.Г., Гаврилов А.В., Чертыковцева В.О. Identification of a mathematical model of elastic-plastic behavior of short-reinforced composite materials using evolutionary algorithms IEEE Proceedings (год публикации - 2024)

7. Куркин Е.И., Кишов Е.А., Куихада Пиокуинто Х.Г., Эспиноса Барсенас О.У., Чертыковцева В.О., Гаврилов А.В. Use of p-norm in parametric optimization in embedded elements of composite structures IEEE Proceedings (год публикации - 2024)

8. Куркин Е.И., Эспиноса Барсенас О.У., Кишов Е.А., Лукьянов О.Е. Topology Optimization and Efficiency Evaluation of Short-Fiber-Reinforced Composite Structures Considering Anisotropy Computation, 12(2), 35 (год публикации - 2024)
10.3390/computation12020035

9. Седельников А., Куркин Е., Смелов В., Чертыковцева В., Алексеев В., Гаврилов А., Кишов Е., Звягинцев М., Чернякин С. Short Fiber-Reinforced Polymer Polyamide 6 Lugs and Selec- tive Laser-Melted Ti-6Al-4V Bushing Contact Cohesive Zone Model Mode II Parameters’ Evaluation Computation (год публикации - 2024)

10. Чертыковцева В.О., Куркин Е.И. Верификация методики расчета литья проушин и образцов из композиционного материала XXVI Туполевские чтения (школа молодых ученых) Международная молодежная научная конференция, 09-10 ноября 2023 г.: Материалы конференции. Сборник докладов, XXVI Туполевские чтения (школа молодых ученых) Международная молодежная научная конференция, 09-10 ноября 2023 г.: Материалы конференции. Сборник докладов, С. 1415-1418 (год публикации - 2023)

11. Чертыковцева В.О., Куркин Е.И. Comparative analyses of genetic algorithm modifications and criteria for optimization of injection molding gate location IEEE Proceedings (год публикации - 2025)

12. Куркин Е.И., Кишов Е.А., Чертыковцева В.О., Алексеев В.П. Bimaterial topology optimization for Ti-6Al-4V lattice bushing design in PA6 injection molded structures Journal of Manufacturing Processes, Journal of Manufacturing Processes 141 (2025) 1368–1384 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jmapro.2025.03.012

13. Чертыковцева В.О. Выбор критерия оптимизации расположения точки подачи расплава при литье под давлением конструкций из короткоармированных композиционных материалов Известия Самарского научного центра Российской академии наук, Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 27, № 1, 2025 (год публикации - 2025)
10.37313/1990-5378-2025-27-1-139-146

14. Куркин Е.И., Куихада Пиокуинто Х.Г., Чертыковцева В.О., Минаев Е.Ю. Runner system geometry prediction using variational autoencoder deep learning model Engineering Applications of Artificial Intelligence , Engineering Applications of Artificial Intelligence 150 (2025) 110555 (год публикации - 2025)
10.1016/j.engappai.2025.110555

15. Куркин Е.И., Кишов Е.А., Чертыковцева В.О. Use of conformal computational meshes for solving bimaterial topological optimization problems IEEE Proceedings (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках третьего года проекта разработан метод многофазной топологической оптимизации металлических закладных элементов в анизотропной постановке с учётом гидродинамики процесса литья термопластичного композита. Анизотропия материала в задаче топологической оптимизации закладных элементов учитывается с использованием двух стадий обобщения: вначале проводится гомогенизация композитной фазы материала на основе теории среднего поля с учетом ориентации армирующих волокон, а затем проводится усреднение характеристик гомогенизированного анизотропного композиционного термопласта и изотропного металлического армирования с учетом объемной доли армирования, определяемой на основе значений топологической плотности. Рассмотрено два способа представления свойств материала для решения задачи топологической оптимизации – на основе задания характеристик материала на единой сетке, и на основе использования двух конформных сеток. Проведено сравнение использования разработанного алгоритма биматериальной топологической оптимизации на языке APDL и алгоритма, базирующегося на использовании конформных сеток. Показано, что использование конформных сеток приводит к ускорению вычислений более чем в 12 раз, а также позволяет учитывать большой набор реализованных технологических ограничений, таких как условия постоянства поперечного сечения (экструзии), минимального и максимального размера силовых элементов и т.д. Определены эквивалентные характеристики представительного объема решётчатых структур трех объемных долей материала решетки: 21%, 43% и 64%. В каждом случае расчет напряженно-деформированного состояния представительного объема размером 10х10х10 мм в системах ANSYS Workbench и Digimat MF/CAE/MAP проведен для двух направлений приложения нагрузки. Показано, что исследуемые варианты решеток могут быть описаны степенной зависимостью модуля упругости анизотропного материала представительного объема от объемной доли содержания металла решетки с показателем степени, равным 2,2. Разработан комплекс программ, реализующий бимодульную топологическую оптимизацию. Основные элементы разработанной методики реализованы с помощью авторских программ, тогда как геометрический препроцессор, сеткогенератор, сеточный интерполятор, прочностные и гидродинамические решатели использованы из стандартных CAE систем (ANSYS, Moldflow, Digimat MAP), запускаемых в пакетном режиме. Такое разделение позволяет, с одной стороны, гибко настраивать систему, а с другой стороны – применять разработанные методы для решения промышленных задач, сложной формы и высокой размерности расчетной сетки, в том числе распараллеливая вычисления. Анизотропия учитывается за счет использования материала расчетных элементов типа ANEL с 21 числом параметров матрицы упругости. Значения параметров материала для каждого конечного элемента расчетной сетки определяется на каждом шаге топологической оптимизации с помощью разработанной коллективом проекта на языке C программы AnisoTopo с ключом write_topo_mat_bimod. Разработаны скрипты расчета тензора ориентации армирующих волокон на редуцированных сетках: APDL скрипт, удаляющий элементы расчетной сетки выше порогового значения; vbs скрипт управления Autodesk Moldflow через Synergy API для расчета гидродинамики литья композита вокруг закладного тела, скрипт вызова Digimat MAP в пакетном режиме для экстраполяции значений тензора ориентации с редуцированной сетки расчета гидродинамики литья на прочностную сетку проектной области. Определены пороговые значения для редуцирования сетки расчета литья, а также зависимость пороговых значений редуцирования от номера итерации топологической оптимизации, обеспечивающие сходимость решения. Разработаны программные интерфейсы, позволяющие фильтровать результаты топологической оптимизации и передавать их в систему ANSYS SpaceClaim в виде файлов в формате hdf5 для синтез геометрической полигональной модели решетчатых закладных элементов переменной плотности. Разработанная методика опробована при проектировании трех форм закладных элементов для двух типоразмеров проушин. Для одной из проушин спроектированы закладные элементы в предположении малой и большой степени анизотропии окружающего материала, что позволило оценить влияние степени анизотропии окружающего материала на форму оптимизируемого решетчатого закладного элемента. Показано, что учет анизотропии окружающего материала приводит к искажению формы закладного тела, таким образом, чтобы оно было направлено в наиболее жесткие места окружающего пластика. Методом селективного лазерного сплавления титана ВТ6 на установке 3DLAM Mini изготовлено 15 закладных элементов трех типов, полученных по результатам многофазной топологической оптимизации в анизотропной постановке, с использованием решетчатых структур. Определено расположение закладных элементов с решётчатыми структурами на платформе для печати диаметром 90 мм, с учетом технологических зазоров. Проведена термическая обработка изготовленных заготовок решетчатых закладных элементов для снятия внутренних напряжений. Отделение заготовок от платформы построения осуществлялось с использованием электроэрозионной обработки, проведенной в два прохода – вначале снятие верхнего слоя и затем отрезка от платформы с толщиной детали. Такой способ позволил обеспечить параллельность граней закладных элементов и высокую точность задания толщины закладного элемента. На термопластавтомате с электрическим узлом впрыска HDRIVE 140 из полиамида-6 армированного 30% массы коротких угольных волокон изготовлены более 20 проушин двух типоразмеров из короткоармированного композиционного термопластичного материала, из них 15 проушин с топологически оптимизированными в анизотропной постановке решетчатыми закладными элементами. Проведены механические испытания двух типоразмеров проушин с тремя вариантами закладных элементов, спроектированными в анизотропной постановке (для проушины M исследованы закладные элементы, спроектированные с предположением о слабой и сильной степени анизотропии окружающего материала). Каждый тип изделий представлен 5 образцами. Испытания проведены на универсальной сервогидравлической машине MTS 322. Построены кривые растяжения, определена жесткость и прочность испытанных образцов. Экспериментально подтверждено, что учет анизотропии при топологической оптимизации закладного элемента позволяет повысить прочность изделия на 13,4%. Проведено исследование микроструктуры изготовленных конструкций на электронном микроскопе и с использованием компьютерной микротомографии. Подтверждено, что по краям проушины волокна располагаются с большей вероятностью вдоль литья, чем в средней части проушины. Результаты исследования проушин на микротомографе показали, что процесс литья пластмасс под давлением сохранил целостность структуры решетки.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта формируют научный и технологический задел для разработки отечественного индустриального программного обеспечения (CAE) для автоматического проектирования и расчета на прочность конструкций из короткоармированных композиционных материалов. Практическая значимость разработанных методов многодисциплинароной параметрической и топологической оптимизации конструкций из композиционных материалов в более чем двухкратном повышении несущей способности композитных изделий при передаче сосредоточенных сил, что увеличивает весовую эффективность создаваемых силовых конструкций аэрокосмического, автомобильного и приборостроительного направлений. Результаты проекта могут быть внедрены на предприятиях аэрокосмической, автомобильной и приборостроительной отраслях промышленности.