Воронеж, Воронежская область, Россия
Воронеж, Воронежская область, Россия
УДК 621 Общее машиностроение. Ядерная техника. Электротехника. Технология машиностроения в целом
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.
ГЕНЕРАТИВНЫЙ ДИЗАЙН, ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЯ, АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ.
|
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. Генеративный дизайн - революция в 3D печати? // 3Dtoday: [сайт]. - 2019. - URL : https://3dtoday.ru/blogs/imprinta/generative-design-revolution-in-3d-printing (дата обращения: 20.12.2021).
2. Рупиндер Тара. Генеративный дизайн : фейк, игрушка, искусство или один из полезных инструментов проектирования? // isicad: - 2020. - URL : https://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=21003 (дата обращения: 20.12.2021).
3. Интеллект, изменивший нашу жизнь: генеративный дизайн // Популярная механика. - 2020. - URL : https://www.popmech.ru/design/468212-intellekt-izmenivshiy-nashu-zhizn-generativnyy-dizayn (дата обращения : 20.12.2021).
4. Сметанина, Н. И. Генеративный дизайн как новый инструмент дизайна и проектирования // Искусство глазами молодых. Материалы Х Международной научной конференции. Сибирский государственный институт искусств им. Д. Хворостовского. 2018. С. 76-77.
5. Старчаус, В. С. Генеративный дизайн как инновационный метод моделирования // Гагаринские чтения - 2019. Сборник тезисов докладов XLV Международной молодежной научной конференции. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). 2019. С. 416-417.
6. Пархимович, А. Б., Краснова, А. В., Воейко, О. А. Генеративный дизайн как новая ступень проектирования // Управление качеством на этапах жизненного цикла технических и технологических систем. сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции. Юго-Западный государственный университет. 2019. С. 125-129.
7. Анциферов, С. И., Лютенко, А. О., Сычев, Е. А., Сиваченко, Л. А. Цифровое проектирование с применением генеративного дизайна // Техническая эстетика и дизайн-исследования. 2019. Т. 1. № 4. С. 38-44.
8. Строить как птицы: на предприятиях ОАК внедряют аддитивные технологии // Аддитивные технологии. - 2020. - URL : https://additiv-tech.ru/publications/stroit-kak-pticy-na-predpriyatiyah-oak-vnedryayut-additivnye-tehnologii.html (дата обращения : 20.12.2021).
9. The bridge that designs and builds itself // AUTODESK: - 2021. - URL : https://fom.autodesk.com/dar-smart-bridge/p/1 (дата обращения : 20.12.2021).
10. Driving mobility innovation with generative design // AUTODESK: - 2021. - URL: https://www.autodesk.com/campaigns/generative-design/ultimate-mobility-vehicle (дата обращения : 20.12.2021).
11. Roopinder Tara. When Generative Design Backfires - VW’s New Wheels // Engineering: - 2020. - URL : https://www.engineering.com/story/when-generative-design-backfires-vws-new-wheels (дата обращения: 20.12.2021).
12. Decathlon создает более легкий, прочный и устойчивый велосипед благодаря технологии генеративного дизайна от Autodesk // isicad: - 2020. - URL : https://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=21578 (дата обращения: 20.12.2021).
13. Петров, Р. И., Скабин, Д. А., Шабунин, Е. Н. Cоздание рамы квадрокоптера методом генеративного дизайна с применением аддитивных технологий // Неделя науки СПбПУ. материалы научной конференции с международным участием. 2018. С. 136-139.
14. Обзор софта для топологической оптимизации и бионического дизайна // 3Dtoday: - 2018. - URL : https://3dtoday.ru/blogs/top3dshop/obzor-softa-dlya-topologicheskoy-optimizatsii-i-bionicheskogo-dizayna (дата обращения : 20.12.2021).
15. Технологии Autodesk Generative Design // ПОИНТ: - 2021. - URL : https://www.pointcad.ru/texnologii/generative-design (дата обращения : 20.12.2021).
16. Generative design for manufacturing with Fusion 360 // AUTODESK: - 2021. - URL : https://www.autodesk.com/solutions/generative-design/manufacturing (дата обращения: 20.12.2021).
17. Бионический (генеративный) дизайн и аддитивное производство // Globatek.3D : - 2021. - URL : https://3d.globatek.ru/world3d/generative_design (дата обращения : 20.12.2021).
18. Генеративный дизайн и оптимизация топологии применительно к FDM 3D-печати // Studia3D : - 2019. - URL : https://studia3d.com/kamonichkin/generative-design (дата обраще-ния : 20.12.2021).
19. Смоленцев В. П., Болдырев А. А. Механизм управления процессом базирования индивидуальных заготовок в реологической жидкости // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 2-3 (292). С. 56-61.
20. Болдырев А. А., Смоленцев В. П. Требования к магнитной жидкости, используемой в средствах технологического оснащения // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2012. № 2 (23). С. 127-131.
