Постановка задачі топологічної оптимізації конструкцій автомобілів та сільськогосподарської техніки
DOI:
https://doi.org/10.30977/AT.2219-8342.2025.56.0.03Ключові слова:
топологічна оптимізація, сільськогосподарська техніка, автомобіль, МСК, SIMP, обмеження за напруженням, мінімум вагиАнотація
Проблема. Попит на легкі, міцні та ефективні конструкції автомобілів та сільськогосподарської техніки вимагає застосування сучасних методів проектування. Топологічна оптимізація конструкцій пропонує новий підхід в проектуванні за рахунок оптимізації розподілу матеріалу, проте її застосування до складних конструкцій є непростим завданням через варіативність навантажень та обмежень. Це дослідження зосереджено на формулюванні задачі топологічної оптимізації з метою підвищення ефективності конструкцій. Мета. Основною метою цієї роботи є внесок у розвиток наукових основ топологічної структурної оптимізації з акцентом на вирішення оптимізаційних задач, що виникають у проектуванні автомобілів та сільськогосподарської техніки. Методика. Математичне програмування та моделювання відіграють ключову роль як основні інструменти у формулюванні задач топологічної структурної оптимізації в галузі автомобілебудування сільськогосподарської техніки. У поєднанні ці інструменти сприяють розробці оптимізованих конструкцій, які є легкими, економічно вигідними та здатними витримувати складні умови експлуатації сільськогосподарського обладнання та автомобілів. Результати. У статті представлено короткий огляд і аналіз сучасного стану топологічної структурної оптимізації. Розглядаються як класичне варіаційне формулювання, так і формулювання задачі топологічної оптимізації у вигляді скінченно-елементного підходу. Особлива увага приділяється задачі мінімізації маси конструкції під напруженнями. Особливий акцент зроблено на формулюванні задачі топологічної оптимізації механічних конструкцій сільськогосподарської техніки. Теорія придатна для проектування як сільськогосподарської техніки так і автомобілів. Наукова новизна. Дослідження зосереджено на розвитку теорії оптимального проектування, спеціально адаптованої для вирішення унікальних викликів у проектуванні конструкцій автомобілів та сільськогосподарської техніки. Для задоволення вимог у дослідженні розроблено підходи до оптимізації, які інтегрують специфічні механічні, функціональні та економічні вимоги до автомобілів та сільськогосподарського обладнання. Практична значимість. Практична цінність цього дослідження полягає в адаптації існуючих формулювань задач топологічної структурної оптимізації до специфічних викликів і вимог автомобілів та сільськогосподарської техніки. Ця адаптація гарантує, що оптимізаційні рішення будуть не лише математично обґрунтованими, але й практично застосовними, дозволяючи створювати міцні, ефективні та економічно вигідні компоненти високонавантаженої техніки.
Посилання
The State of Food and Agriculture (2022) Leveraging agricultural automation for transforming agrifood systems. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). 2022. doi:10.4060/cb9479en. ISBN 978-92-5-136043-9.
Haftka, R. T., & Gürdal, Z. (2012). Elements of structural optimization (Vol. 11). Springer Science & Business Media. https://doi.org/10.1007/978-94-011-2550-5
Kayabekir, A.E., Bekdaş, G., Nigdeli, S.M. (2021). Developments on Metaheuristic-Based Optimization in Structural Engineering. In: Nigdeli, S.M., Bekdaş, G., Kayabekir, A.E., Yucel, M. (eds) Advances in Structural Engineering—Optimization. Studies in Systems, Decision and Control, vol 326. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-61848-3_1
Holmberg, E., Torstenfelt, B. & Klarbring, A. Stress constrained topology optimization. Struct Multidisc Optim 48, 33–47 (2013). https://doi.org/10.1007/s00158-012-0880-7
Polajnar, M., Kosel, F. & Drazumeric, R. Structural optimization using global stress-deviation objective function via the level-set method. Struct Multidisc Optim 55, 91–104 (2017). https://doi.org/10.1007/s00158-016-1475-5
Giraldo-Londoño, O., Russ, J.B., Aguiló, M.A. et al. (2022). Limiting the first principal stress in topology optimization: a local and consistent approach. Struct Multidisc Optim 65, 254 https://doi.org/10.1007/s00158-022-03320-y
Dixiong, Y., Hongliang L., Weisheng Z., Shi L. (2018). Stress-constrained topology optimization based on maximum stress measures. Computers & Structures, Vol. 198, 23-39 https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2018.01.008
Amstutz, Samuel & Novotny, A.A. (2010). Topological optimization of structures subject to Von Mises stress constraints. Structural and Multidisciplinary Optimization. 41, 407-420. https://doi.org/10.1007/s00158-009-0425-x
Guo, Xu & Zhang, Weisheng & Wang, Michael & Wei, Peng. (2011). Stress-related topology optimization via level set approach. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering - COMPUT METHOD APPL MECH ENG. 200, 3439-3452. https://doi.org/10.1016/j.cma.2011.08.016
Kocvara, Michal & Stingl, Michael. (2012). Solving stress constrained problems in topology and material optimization. Structural and Multidisciplinary Optimization. 46, 1-15. https://doi.org/10.1007/s00158-012-0762-z
Zhai, X., Chen, F. & Wu, J. (2021). Alternating optimization of design and stress for stress-constrained topology optimization. Struct Multidisc Optim 64, 2323–2342 https://doi.org/10.1007/s00158-021-02985-1
Le, Chau & Norato, Julian & Bruns, Tyler & Ha, Christopher & Tortorelli, Daniel. (2010). Stress-based topology optimization for continua. Structural and Multidisciplinary Optimization. 41. 605-620. https://doi.org/10.1007/s00158-009-0440-y
París, José & Navarrina, F. & Colominas, Ignasi & Casteleiro, M. (2010). Block aggregation of stress constraints in topology optimization of structures. Advances in Engineering Software. 41. 433-441. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2009.03.006
E. Holmberg, B. Torstenfelt, A. Klarbring (2013). Stress constrained topology optimization. Structural and Multidisciplinary Optimization, 48(1):33-47. https://doi.org/10.1007/s00158-012-0880-7
R. Picelli, S. Townsend, C. Brampton, J. Norato, H.A. Kim (2018). Stress-based shape and topology optimization with the level set method. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 329, 1-23, https://doi.org/10.1016/j.cma.2017.09.001
de Leon, D. M., Alexandersen, J., Jun, J. S., & Sigmund, O. (2015). Stress-constrained topology optimization for compliant mechanism design. Structural and Multidisciplinary Optimization, 52(5), 929-943. https://doi.org/10.1007/s00158-015-1279-z
De Leon, D.M., Gonçalves, J.F. & de Souza, C.E. (2020). Stress-based topology optimization of compliant mechanisms design using geometrical and material nonlinearities. Struct Multidisc Optim 62, 231–248 https://doi.org/10.1007/s00158-019-02484-4
G. A. Silva, A. T. Beck, O. Sigmund (2019). Stress-constrained topology optimization considering uniform manufacturing uncertainties. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 344, 512-537. https://doi.org/10.1016/j.cma.2018.10.020
Bruggi, Matteo & Duysinx, Pierre. (2012). Topology optimization for minimum weight with compliance and stress constraints. Structural and Multidisciplinary Optimization. 46, 369–384. https://doi.org/10.1007/s00158-012-0759-7
Collet, M., Bruggi, M. & Duysinx, P. (2017). Topology optimization for minimum weight with compliance and simplified nominal stress constraints for fatigue resistance. Struct Multidisc Optim 55, 839–855 https://doi.org/10.1007/s00158-016-1510-6
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Автомобільний транспорт
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
