Розробка методу оптимізації топології для проектування композитних сітчастих кільцевих конструкцій

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.238266

Ключові слова:

композитні сітчасті кільцеві конструкції, оптимізація топології, траєкторія намотування, роботизоване філаментне намотування

Анотація

Композитні сітчасті кільцеві конструкції відомі своєю легкістю і високою ефективністю, що представляє великий інтерес для авіаційної та аерокосмічної промисловості. Загальний процес виготовлення таких конструкцій полягає у використанні технології мокрого філаментного намотування. Завдяки анізотропним властивостям безперервних волокон траєкторія філаментного намотування визначає механічні властивості композитних сітчастих кільцевих конструкцій. У даній роботі запропоновано метод оптимізації топології для створення ефективної траєкторії філаментного намотування, яка слідує за траєкторією передачі навантаження композитної деталі і підвищує механічну міцність. Для задоволення вимоги до періодичності конструкції, в процесі оптимізації топології простір проектних параметрів ділиться на задану кількість ідентичних підструктур. Для перевірки ефективності і можливостей запропонованого підходу досліджується топологічне проектування кільцевих конструкцій з різною кількістю підструктур, відношенням зовнішнього радіуса до внутрішнього і випадком навантаження. Результати показують, що оптимальна форма топології сильно залежить від числа підструктур, відношення радіусів і випадку навантаження. Крім того, податливість оптимізованих конструкцій збільшується зі збільшенням загального числа підструктур, в той час як структурна ефективність оптимізованих конструкцій зменшується зі збільшенням відношення радіусів. На закінчення, з урахуванням зазначеної топологічної структури в якості об'єкта представлений концептуальний проект роботизованої системи філаментного намотування для виготовлення композитної сітчастої кільцевої конструкції. Зокрема, ретельно визначені формувальне оснащення, інтегрована система наплавлення, траєкторія намотування і виробничий процес, що може служити цінним матеріалом для практичного виробництва в майбутньому

Біографії авторів

Zheng Hu, National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”; Nanchang Hangkong University

Postgraduate student

Department of Composite Structures and Aviation Materials

School of Aeronautical Manufacturing Engineering

Oleksii Vambol, National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”

PhD, Associate Professor

Department of Composite Structures and Aviation Materials

Shiping Sun, Nanchang Hangkong University

PhD, Professor

School of Aeronautical Manufacturing Engineering

Qinglong Zeng, Guangxi Yuchai Machinery Company Limited

Master, Engineer

Посилання

  1. Xu, Y., Zhu, J., Wu, Z., Cao, Y., Zhao, Y., Zhang, W. (2018). A review on the design of laminated composite structures: constant and variable stiffness design and topology optimization. Advanced Composites and Hybrid Materials, 1 (3), 460–477. doi: https://doi.org/10.1007/s42114-018-0032-7
  2. Totaro, G., De Nicola, F. (2012). Recent advance on design and manufacturing of composite anisogrid structures for space launchers. Acta Astronautica, 81 (2), 570–577. doi: https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2012.07.012
  3. Mack, J., McGregor, O., Mitschang, P. (2014). Prepreg lay-up technology for manufacturing of lattice structure fuselage sections. ECCM16 - 16th European Conference on Composite Materials. Seville.
  4. Giusto, G., Totaro, G., Spena, P., De Nicola, F., Di Caprio, F., Zallo, A. et. al. (2021). Composite grid structure technology for space applications. Materials Today: Proceedings, 34, 332–340. doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.05.754
  5. Gagauz, F., Kryvenda, S., Shevtsova, M., Smovziuk, L., Taranenko, I. (2014). Manufacturing and testing of composite wafer components with dual-purpose integrated semi-loop joints. ECCM16 - 16th European Conference on Composite Materials. Seville.
  6. Cerqueira, J., Faria, H., Funck, R. (2014). Fabrication of composite cylinders with integrated lattice structure using filament winding. ECCM16 - 16th European Conference on Composite Materials. Seville.
  7. Vasiliev, V. V., Razin, A. F. (2006). Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications. Composite Structures, 76 (1-2), 182–189. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2006.06.025
  8. Sugiyama, K., Matsuzaki, R., Malakhov, A. V., Polilov, A. N., Ueda, M., Todoroki, A., Hirano, Y. (2020). 3D printing of optimized composites with variable fiber volume fraction and stiffness using continuous fiber. Composites Science and Technology, 186, 107905. doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2019.107905
  9. Zhu, J.-H., Zhang, W.-H., Xia, L. (2015). Topology Optimization in Aircraft and Aerospace Structures Design. Archives of Computational Methods in Engineering, 23 (4), 595–622. doi: https://doi.org/10.1007/s11831-015-9151-2
  10. Hu, Z., Vambol, O., Sun, S. (2021). A hybrid multilevel method for simultaneous optimization design of topology and discrete fiber orientation. Composite Structures, 266, 113791. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113791
  11. Hu, Z., Vambol, O. (2020). Topological designing and analysis of the composite wing rib. Aerospace Technic and Technology, 6, 4–14. doi: https://doi.org/10.32620/aktt.2020.6.01
  12. Fu, J., Yun, J., Jung, Y., Lee, D. (2017). Generation of filament-winding paths for complex axisymmetric shapes based on the principal stress field. Composite Structures, 161, 330–339. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.11.022
  13. Li, N., Link, G., Wang, T., Ramopoulos, V., Neumaier, D., Hofele, J. et. al. (2020). Path-designed 3D printing for topological optimized continuous carbon fibre reinforced composite structures. Composites Part B: Engineering, 182, 107612. doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107612
  14. Chen, Y., Ye, L. (2021). Topological design for 3D-printing of carbon fibre reinforced composite structural parts. Composites Science and Technology, 204, 108644. doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108644
  15. Wang, T., Li, N., Link, G., Jelonnek, J., Fleischer, J., Dittus, J., Kupzik, D. (2021). Load-dependent path planning method for 3D printing of continuous fiber reinforced plastics. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 140, 106181. doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106181
  16. Bendsoe, M. P., Sigmund, O. (2004). Topology optimization: theory, methods, and applications. Springer, 370. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-662-05086-6
  17. Kabir, S. M. F., Mathur, K., Seyam, A.-F. M. (2020). A critical review on 3D printed continuous fiber-reinforced composites: History, mechanism, materials and properties. Composite Structures, 232, 111476. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111476
  18. Sorrentino, L., Marchetti, M., Bellini, C., Delfini, A., Del Sette, F. (2017). Manufacture of high performance isogrid structure by Robotic Filament Winding. Composite Structures, 164, 43–50. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.12.061
  19. Sorrentino, L., Anamateros, E., Bellini, C., Carrino, L., Corcione, G., Leone, A., Paris, G. (2019). Robotic filament winding: An innovative technology to manufacture complex shape structural parts. Composite Structures, 220, 699–707. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.04.055
  20. Carrino, L., Polini, W., Sorrentino, L. (2003). Modular structure of a new feed-deposition head for a robotized filament winding cell. Composites Science and Technology, 63 (15), 2255–2263. doi: https://doi.org/10.1016/s0266-3538(03)00174-x

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-08-31

Як цитувати

Hu, Z., Vambol, O., Sun, S., & Zeng, Q. (2021). Розробка методу оптимізації топології для проектування композитних сітчастих кільцевих конструкцій. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(1(112), 6–13. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.238266

Номер

Том 4 № 1(112) (2021): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Виробничо-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Zheng Hu, Oleksii Vambol, Shiping Sun, Qinglong Zeng

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.