priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2022-65-5-372-378pribor-251Research ArticleНАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИSCIENTIFIC AND PRACTICAL DEVELOPMENTSДинамическая модель системы эластично связанных частиц для топологической оптимизации изделий из композитовDynamic model of a system of elastically coupled particles for topological optimization of composite material products. Journal of Instrument EngineeringСизаяА. В.SizayaA. V.

Анжелика Владимировна Сизая — студентка; Казанский НИТУ им. А. Н. Туполева — КАИ, кафедра лазерных технологий.

Казань

Angelica V. Sizaya — Student; A. N. Tupolev Kazan STU, Department of Laser Technologies.

Kazan

angel.sizaya@gmail.comЦивильскийИ. В.TsivilskiyI. V.

Илья Владимирович Цивильский — канд. техн. наук; Казанский НИТУ им. А. Н. Туполева — КАИ, кафедра лазерных технологий; доцент.

Казань

Ilya V. Tsivilskiy — PhD; A. N. Tupolev Kazan STU, Department of Laser Technologies; Associate Professor.

Kazan

ivtsivilskiy@kai.ruКазанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева — КАИРоссияA.N. Tupolev Kazan National Research Technical UniversityRussian Federation202201122024655372378Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/251

Объект исследования — композитные материалы, к основным преимуществам которых относятся легкость конструкции и высокая устойчивость к механическим и тепловым нагрузкам. Для прогнозирования возможных нагрузок на конструкции из композитов и учета этих данных на начальном этапе разработки деталей требуется произвести компьютерное моделирование процессов, связанных с ними. Предложен бессеточный метод оптимизации изделий из композитных материалов на основе эластично связанных метачастиц. Получены результаты оптимизационных расчетов размеров для тестовой балки под действием статической нагрузки на прогиб. Программная реализация осуществлялась на языке JavaScript без сторонних библиотек. Уменьшение массы составило 25 % от массы исходной модели. Верификация оптимизированной геометрии выполнена при аналогичных условиях механического нагружения с использованием программного пакета Ansys Student. Разработанный прототип может использоваться при определении возможного процента снижения массы конструкции из композитных материалов.

The object of research is composite materials, the main advantages of which include low weight of the structure and high resistance to mechanical and thermal loads. In order to predict possible loads on composite structures and take these data into account at the initial stage of parts development, computer modeling of the processes associated with them is required. A grid-less method for optimizing products made of composite materials based on elastically bonded meta-particles is proposed. The results of optimization calculations of dimensions for a test beam under the action of a static deflection load are obtained. The software implementation is carried out in JavaScript without third-party libraries. The weight reduction comprises 25% of the original model. Verification of the optimized geometry is performed under similar conditions of mechanical loading in the Ansys Student package. The developed prototype can be used to determine the possible percentage of weight reduction of a composite structure.

бессеточные методытопологическая оптимизацияструктурная динамикапрочностькомпозиционные материалыматематическое моделированиеmeshless methodtopology optimizationstructural dynamicsstrengthcomposite materialsmathematical modelingисследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант 18-42-160015, и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках исполнения обязательств по соглашению № 075-03-2020-051/6 от 06.11.2020 (номер темы fzsu-2020-0020)The research was carried out with the financial support of the Russian Foundation for Basic Research, grant 18-42-160015, and the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation as part of the fulfillment of obligations under Agreement No. 075-03-2020-051/6 dated 06.11.2020 (topic number fzsu-2020-0020)ReferencesGebisa A. W., Lemu H. G. A case study on topology optimized design for additive manufacturing // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 276. 2017. DOI: 10.1088/1757-899X/276/1/012026.Gebisa A.W., Lemu H.G. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 276, 2017, DOI: 10.1088/1757-899X/276/1/012026.Bashin K. A., Torsunov R. A., Semenov S. V. Topology optimization methods in aerospace industry // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. № 51. C. 51—61. DOI: 10.15593/2224-9982/2017.51.05.Bashin K.A., Torsunov R.A., Semenov S.V. PNRPU Aerospace Engineering Bulletin, 2017, no. 51, pp. 51–61, DOI: 10.15593/2224-9982/2017.51.05.Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., Zhu J. Z. The Finite Element Method: its Basis and Fundamentals. ButterworthHeinemann, 2013. P. 683—684. DOI: 10.1016/B978-1-85617-633-0.00032-0.Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z. The Finite Element Method: its Basis and Fundamentals (Seventh Edition), Butterworth-Heinemann, 2013, рр. 683–684, ISBN 9781856176330, DOI 10.1016/B978-1-85617-633-0.00032-0.Liu G. R., Quek S. S. The Finite Element Method: A Practical Course. 2014 [Электронный ресурс]: <https://doi.org/10.1016/B978-0-08-098356-1.00001-1>.Liu G.R., Quek S.S. The Finite Element Method: A Practical Course, 2014, https://doi.org/10.1016/B978-0-08-098356-1.00001-1.ANSYS Corporation: ANSYS online help, 2010. [Электронный ресурс]: <https://ansyshelp.ansys.com>, 20.10.2021ANSYS Corporation: ANSYS online help, 2010, https://ansyshelp.ansys.com/.Xie L., Zhang Y., Ge M., Zhao Y. Topology optimization of heat sink based on variable density method // Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 718—726. DOI: org/10.1016/j.egyr.2021.11.214.Xie L., Zhang Y., Ge M., Zhao Y. Energy Reports, 2022, no. 8, pp. 718–726, https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.11.214.Leclerc W., Haddad H., Guessasma M. DEM-FEM coupling method to simulate thermally induced stresses and local damage in composite materials // Intern. Journal of Solids and Structures. 2019. Vol. 160. P. 276—292. DOI: org/10.1016/j.ijsolstr.2018.10.030.Leclerc W., Haddad H., Guessasma M. International Journal of Solids and Structures, 2019, vol. 160, рр. 276–292, https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2018.10.030.Nienartowicz M., Strek T. Modeling and FEM analysis of dynamic properties of thermally optimal composite materials // Intern. Center Numerical Methods Engineering, Barcelona, Spain. 2014. P. 593—604.Nienartowicz M., Strek T. International Center Numerical Methods Engineering, Gran Capitan, Barcelona, Spain, 2014, рр. 593–604.Ferguson Z., Williams F. Topology Optimization with FEniCS, 2018 [Электронный ресурс]: <https://github.com/zfergus/fenics-topopt>, 15.05.2021.Ferguson Z., Williams F. Topology Optimization with FEniCS. Final project for CSCI-GA.2420: Numerical Methods II at New York University, May 3, 2018, https://libraries.io/github/zfergus/fenics-topopt.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.