UDK 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
The paper discusses the features of the design of structures with the use of generative design; the analysis of the software was carried out, taking into account the various industrial man-ufacturability of the design results; formulated technological recommendations for the blank production, as well as for the following ma-chining; for fixing workpieces of complex shape on the machine, it is proposed to use tooling with the use of magnetic fluids.
GENERATIVE DESIGN, MAN-UFACTURABILITY OF PRODUCT, ADDI-TIVE TECHNOLOGIES, MECHANICAL PROCESSING, MAGNETIC FLUID.
|
DOI:
|
|
|
УДК 621.81
|
|
|
05.02.08 – технология машиностроения
|
|
|
К ВОПРОСУ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ СНИЖЕННОЙ МАССЫ
|
ON THE QUESTION OF REDUCED MASS ARTICLES TECHNOLOGICAL EFFECTIVENESS IN AVIATION
|
|
Болдырев Александр Александрович к.т.н., доцент кафедры технологии машиностроения Воронежского государственного технического университета (РФ)
|
Boldyrev Alexander Alexandrovich candidate of technical sciences, associate professor at the engineering technology chair of the Voronezh State Technical University (RF)
|
|
старший преподаватель кафедры графики, конструирования и промышленного дизайна Воронежского государственного технического университета (РФ), e-mail: levin_du@cst-eg.ru
|
senior lecturer at the graphics, engineering and industrial design chair of the Voronezh State Technical University (RF), e-mail: levin_du@cst-eg.ru
|
|
Рябинина Ольга Алексеевна магистр кафедры технологии машиностроения Воронежского государственного технического университета (РФ),
|
Ryabinina Olga Alekseevna master student at the engineering technology chair of the Voronezh State Technical University (RF)
|
|
Болдырев Александр Иванович д.т.н., профессор кафедры технологии машиностроения Воронежского государственного технического университета (РФ),
|
Boldyrev Alexander Ivanovich doctor of technical sciences, professor at the engineering technology chair of the Voronezh State Technical University (RF),
|
|
Аннотация. В работе рассмотрены особенности проектирования конструкций с применением генеративного дизайна; произведен анализ программного обеспечения с учетом различной производственной технологичности итогов проектирования; сформулированы технологические рекомендации для заготовительного производства, а также для последующей механической обработки; для закрепления заготовок сложной формы на станке предложено применения оснастки с использованием магнитных жидкостей.
|
Annotation. The paper discusses the features of the design of structures with the use of generative design; the analysis of the software was carried out, taking into account the various industrial manufacturability of the design results; formulated technological recommendations for the blank production, as well as for the following machining; for fixing workpieces of complex shape on the machine, it is proposed to use tooling with the use of magnetic fluids.
|
|
Ключевые слова: генеративный дизайн, технологичность конструкции изделия, аддитивные технологии, механическая обработка, магнитная жидкость.
|
Key words: generative design, manufacturability of product, additive technologies, mechanical processing, magnetic fluid. |
|
1Автор для ведения переписки |
|
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Для изделий авиационной и ракетно-космической техники остро актуальна проблема сокращения массы деталей, в том числе несущих элементов конструкции. Стоимость доставки на орбиту одного кг груза составляет десятки тысяч долларов, что делает облегчение конструкции приоритетной задачей, даже несмотря на усложнение производственной технологии.
Одним из прогрессивных методов трехмерного твердотельного проектирования является генеративный дизайн [1-3]. При таком конструировании разработчик делегирует часть процессов компьютерным технологиям и платформе. Конструктор формирует только исходные данные в виде нагрузок, посадочных мест и ограничений, затем система итерационно создает большое количество вариантов формы, исследует их с помощью конечно-элементного анализа и останавливается на оптимальных с точки зрения минимизации объема. Решения, полученные при помощи генеративного дизайна, внешне напоминают природные формы, но доработанные и завершенные. Такие конструкции позволяют снизить массу изделий на 30-50 %, однако имеют форму сложную для получения классическими методами производства заготовок и последующей обработки.
На сегодняшний день подобные конструкции только начинают внедрять (в основном в экспериментальных образцах) [2, 4-13]: Airbus совместно с Autodesk модернизировали конструкцию перегородки салона лайнера Airbus A320, облегчив ее на 45 %; Toyota совместно с Materialise разработали прототип суперлегкого автомобильного кресла, снизив массу на 72 %; BMW создали концепт-байк с легкой 3D-печатной металлической рамой и ведут разработки по внедрению подобных деталей в «Ролс-Ройсах» и родстерах; голландская компания MX3D с помощью ПО Autodesk спроектировали и произвели несущую основу моста; с использованием Autodesk Fusion 360; Volkswagen выпустили демонстрационный образец авто с оптимизированными элементами, а разработчики NASA – прототип исследовательского модуля для поверхности планет и т.д. (рис. 1).
Применение генеративного дизайна в отечественных авиационной и ракетно-космической отрасли безусловно является перспективным. При этом отсутствуют разработки в области технологии изготовления деталей такого вида, что определяет актуальность исследования.
2 Материалы и методы
Технологичность конструкции изделий, спроектированных с использованием генеративного дизайна, в первую очередь определяется методикой создания вариантов формы. Различные программные продукты имеют свои алгоритмы генерации, а значит важным этапом, является выбор системы автоматизированного проектирования [14, 15].
На сегодняшний день помимо программ, имеющих своим специальным назначением оптимизацию массы конструкции (Autodesk Within, Altair OptiStruct), соответствующими модулями обзавелись практически все системы автоматизированного проектирования высокого уровня и часть – среднего. Возможности топологической оптимизации (методика проектирования, при которой общую форму задает конструктор, а размеры и количество элементов рассчитывает система) или полноценного генеративного дизайна имеются у Siemens NX и Solid Edge, CATIA 3DEXPERIENCE, SOLIDWORKS, Autodesk Inventor, Netfabb Ultimate и Fusion 360, ANSYS Mechanical, solidThinking Inspire и др. С учетом доступности продуктов и возможностей генерации для исследования выбран Autodesk Fusion 360 [1, 16].
Помимо создания формы модуль в составе Fusion 360 позволяет производить расчет полученных конструкций на прочность и жесткость, дорабатывать варианты с учетом технологичности (с возможностью производства литьем или 3D-печатью, оптимизация для фрезерной постобработки на оборудовании с различным количеством осей – примеры показаны на рисунке 2), транслировать результаты в более мощные системы, а также генерировать управляющие программы для станков с ЧПУ.
1. Is generative design a revolution in 3D printing? // 3Dtoday. – 2019. – URL : https://3dtoday.ru/blogs/imprinta/generative-design-revolution-in-3d-printing (date accessed: 20.12.2021).
2. Rupinder Tara. Generative design: fake, toy, art, or one of the useful design tools? // isicad: – 2020. – URL: https://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=21003 (date of access: 20.12.2021).
3. The intelligence that changed our lives: generative design // Popular mechanics. – 2020. – URL: https://www.popmech.ru/design/468212-intellekt-izmenivshiy-nashu-zhizn-generativnyy-dizayn (date accessed: 20.12.2021).
4. Smetanina, N. I. Generative design as a new design and design tool // Art through the eyes of young people. Materials of the X International Scientific Conference. Siberian State Institute of Arts. D. Hvorostovsky. 2018.S. 76-77.
5. Starchaus, V. S. Generative design as an innovative method of modeling // Gagarin Readings – 2019. Collection of abstracts of the XLV International Youth Scientific Conference. Moscow Aviation Institute (National Research University). 2019. S. 416-417.
6. Parkhimovich A. B., Krasnova A. V., Voeiko O. A. Generative design as a new stage of design // Quality management at the stages of the life cycle of technical and technological systems. collection of scientific papers of the All-Russian Scientific and Technical Conference. Southwest State University. 2019. S. 125-129.
7. Antsiferov, S. I., Lyutenko, A. O., Sychev, E. A., Sivachenko, L. A. Digital design using generative design // Technical aesthetics and design research. 2019. Vol. 1.№. 4. P. 38-44.
8. Build like birds : additive technologies are being introduced at UAC enterprises // Additive technologies. – 2020. – URL : https://additiv-tech.ru/publications/stroit-kak-pticy-na-predpriyatiyah-oak-vnedryayut-additivnye-tehnologii.html (date accessed: 20.12.2021).
9. The bridge that designs and builds itself // AUTODESK: – 2021 – URL : https://fom.autodesk.com/dar-smart-bridge/p/1 (date accessed: 20.12.2021).
10. Driving mobility innovation with generative design // AUTODESK: – 2021. – URL : https://www.autodesk.com/campaigns/generative-design/ultimate-mobility-vehicle (date accessed: 20.12.2021).
11. Roopinder Tara. When Generative Design Backfires – VW's New Wheels // Engineer-ing: – 2020. – URL: https://www.engineering.com/story/when-generative-design-backfires-vws-new-wheels (date accessed: 20.12.2021).
12. Decathlon creates a lighter, stronger and more stable bike thanks to generative design technology from Autodesk // isicad: – 2020. – URL : https://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=21578 (date of access: 20.12.2021).
13. Petrov, R. I., Skabin, D. A., Shabunin, E. N. Creation of a quadrocopter frame by the method of generative design using additive technologies // SPbPU Science Week. materials of a scientific conference with international participation. 2018. S. 136-139.
14. Review of software for topological optimization and bionic design // 3Dtoday: – 2018. – URL: https://3dtoday.ru/blogs/top3dshop/obzor-softa-dlya-topologicheskoy-optimizatsii-i-bionicheskogo-dizayna (date accessed: 20.12.2021).
15. Technologies Autodesk Generative Design // POINT: – 2021. – URL : https://www.pointcad.ru/texnologii/generative-design (date of access: 20.12.2021).
16. Generative design for manufacturing with Fusion 360 // AUTODESK: – 2021. – URL : https://www.autodesk.com/solutions/generative-design/manufacturing (date accessed: 20.12.2021).
17. Bionic (generative) design and additive manufacturing // Globatek.3D: – 2021. – URL : https://3d.globatek.ru/world3d/generative_design (date accessed: 20.12.2021).
18. Generative design and topology optimization as applied to FDM 3D printing // Studia3D : – 2019. – URL : https://studia3d.com/kamonichkin/generative-design (date accessed: 20.12.2021).
19. Smolentsev V. P., Boldyrev A. A. Control mechanism for the process of basing individual blanks in a rheological fluid // Fundamental and Applied Problems of Engineering and Technology. 2012. №. 2-3 (292). S. 56-61.
20. Boldyrev A. A., Smolentsev V. P. Requirements for the magnetic fluid used in the means of technological equipment // Bulletin of the Rybinsk State Aviation Technological Academy. P. A. Solovyova. 2012. №. 2 (23). S. 127-131.
