Topology Optimization Methods in Aerospace Industry

Abstract

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия МЕТОДЫ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ, ПРИМЕНЯЮЩИЕСЯ В АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИПосвящено основным методам топологической оптимизации, применяемым для увеличения удельной прочно-сти узлов аэрокосмической техники путем оптимизации их геометрических параметров. Для деталей, применяющихся в аэрокосмической отрасли, основными задачами топологической оптимизации могут являться как минимизация объе-ма/массы при прочностных ограничениях, так и оптимизация других параметров с ограничениями по объему. Рассмот-рены методы эволюционной оптимизации конструкций (ESO), метод двунаправленной эволюционной оптимизации кон-струкций (BESO), метод пенализации для твердого изотропного тела (SIMP), его гибридная модификация (ESO-SIMP) и метод установления уровня (Level-Set). Особенности их применения демонстрируются на примерах различных конст-рукций. Приведены теоретические основы для каждого из методов, области их применения. Рассмотрены их преиму-щества и недостатки. Кроме этого в работе представлен обзор примеров применения методов топологической оптими-зации в аэрокосмической отрасли. Рассмотрены работы, посвященные оптимизации геометрических параметров таких деталей, как нервюра крыла самолета, пилон, неохлаждаемая лопатка турбины и т.д. Проведен анализ значимости по-явления аддитивных технологий для процесса развития методов топологической оптимизации. Дана оценка перспек-тивности их совместного развития и вытеснения ими классических субтрактивных технологий производства.Ключевые слова: топологическая оптимизация, метод эволюционной оптимизации конструкций, метод двуна-правленной эволюционной оптимизации конструкций, метод пенализации для твердого изотропного тела, метод уста-новления уровня, аддитивные технологии. K.A. Bashin, R.A. Torsunov, S.V. SemenovPerm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation TOPOLOGY OPTIMIZATION METHODS IN AEROSPACE INDUSTRYThe article is devoted to the basic methods of topological optimization, applied to increase the specific strength of nodes of aerospace technology, by optimizing their geometric parameters. For the details used in the aerospace industry, the main objectives of topological optimization may be to minimize volume / mass under strength limits and optimize other parameters with volume constraints. The method of evolutionary structural (ESO), the method of bi-directional evolutionary structural optimization (BESO), the method solid isotropic material with penalization (SIMP), its hybrid modification (ESO-SIMP) and the Level-Set method are considered. The features of their application are demonstrated on examples of various designs. The theoretical basis for each of the methods and the field of their application are given. Their advantages and disadvantages are considered. In addition, the paper reviews examples of the application of topological optimization methods in the aerospace industry. The works devoted to optimization of geometrical parameters of such details as a wi...

Finite Element Calculation of the Polymer Stamp Material Redistribution under Restrictions on Fatigue Life

“…The ESO method was considered as a topological optimization method with a constraint on the stress state, according to which the elements are rejected according to the condition [31]:…”

“…Less loaded elements at a low stress level are removed according to the ISO method. The removal of the element is realized by a small value of the elastic modulus [31]:…”