Topologická optimalizace pylonu pro umístění velkého motoru letadla

Tags: 3D tisk | HyperWorks | SOGRCLAIR | Strojírenství. Letectví

SOGECLAIR Aerospace využil HyperWorks k optimalizaci 3D tiskem vyrobené letadlové součásti

Letecký průmysl již dlouho udává hlavní směr ve vývoji a použití nových technologií. Motivací pro neustálé zlepšování je vedle plnění bezpečnostních a regulačních norem, také snižování výrobních a provozních nákladů a v neposlední řadě konkurenceschopnost. V posledních letech se letecké společnosti zaměřují na výkon letadla a snížení palivových nákladů, čehož je dosahováno snižováním hmotnosti letadla. Firma SOGECLAIR Aerospace, jež je významným dodavatelem v leteckém průmyslu, se v poslední době zabývá novým konceptem pylonu letadlových motorů. Pylon je zásadní součást letadla, která slouží k umístění a zachycení motoru na křídlo či na trup letadla. Inovativní přístup této firmy spočívá v kombinaci topologické optimalizace pomocí programu OptiStruct a metody postupného zpracování po vrstvách (ALM= Additive Layer Manufacturing) též známé jako 3D tisk. Prvkový řešič OptiStruct je součástí softwarového balíčku HyperWorks vyvíjeného firmou Altair. Výsledkem projektu bylo snížení celkové hmotnosti pylonu o 20% a snížení počtu komponent o 97% při zachování původní pevnosti.

O SOGECLAIR aerospace

Firma SOGECLAIR aerospace je součástí skupiny SOGECLAIR S.A. Jedná se o hlavního partnera v inženýrství a předního dodavatele pro letecký průmysl. S kancelářemi ve Francii, Španělsku, ve Spojeném království, v Německu, Tunisku a Kanadě čítá téměř 1250 zaměstnanců.

Firma SOGECLAIR aerospace má velmi zodpovědný přístup k požadavkům svých zákazníků a k jejich technologickým a strategickým očekáváním. Konzultace a poradenské služby jsou poskytovány v oblasti řízení konfigurací, aero struktur, instalací systémů, letadlových interiérů, výrobního inženýrství a vybavení. Firma SOGECLAIR aerospace rozšířila svou činnost z fáze výzkumu a vývoje na dodávání produktů. Jádrem podnikové kultury SOGECLAIR aerospace se stala inovace. Centrum inovací je v činnosti od roku 2009 a jeho hlavní náplní je podpora rozvoje nových inženýrských přístupů a řešení.

Technologie nabízející nové možnosti

Snižování hmotnosti při zachování bezpečnosti, snižovaní spotřeby paliva, a možnost navýšení placeného nákladu jsou v posledních letech hlavním cílem leteckého průmyslu. Avšak procesy spojené s návrhem, vývojem a výrobou produktů jsou velmi složité.

Topologická optimalizace se používá ve fázi procesu navrhování a jejím cílem je najít optimální rozložení materiálů v daném designovém prostoru s ohledem na simulované zatěžovací stavy a okrajové podmínky tak, že výsledný návrh splňuje předepsané výkonnostní parametry. Tato virtuální optimalizace nahrazuje zdlouhavý a finančně nákladný iterativní proces navrhování.

Pro vytváření simulačních a optimalizačních úloh využívají letečtí inženýři z firmy SOGECLAIR nástroje z programového balíčku Altair Engineering HyperWorks, jež svým rozsahem pokrývá celý výpočetní proces, od stavby modelu, optimalizaci/analýzu, až po vyhodnocení výsledků. Nástroje HyperMesh slouží pro přípravu modelu (pre-processing), HyperView pro vyhodnocení výsledků (post-processing), programem Optistruct a FEA solver se provádí optimalizace. Vyrobitelnost navrženého produktu je zajištěna volbou vhodných parametrů, které Optistruct nabízí. Např. parametr minimum member size zajišťuje, že výsledkem optimalizace nejsou malé struktury, které by bylo složité, anebo přímo nemožné vyrobit. ALM neboli 3D tisk využívá laser nebo paprsek elektronů k tavení a spékání materiálu ve formě prášku do požadovaného tvaru (digitální formy). Tvorba objektu probíhá po vrstvách. ALM eliminuje mnoho běžných problémů, které se vyskytují při tradiční výrobě, a umožňuje tak výrobu složitých tvarů a zároveň integraci několika součástí dohromady, což snižuje počet dílů a ve výsledku potřebný montážní čas.

ALM je ve většině případech efektivnější než výrobní metody jako jsou kování a odlévání, jelikož snižuje množství odpadu vzniklého při výrobě a tím celkovou spotřebu materiálu, což je především patrné při malé sériové výrobě nebo výrobě náhradních součástí. Kromě toho 3D tisk poskytuje mnohem větší svobodu v navrhování než tradiční výrobní metody.

Aby bylo docíleno co největší efektivity při využití ALM, je důležité komponenty, které se budou tisknout, předem optimalizovat. Vyrobitelnost výsledného produktu je zajištěna zahrnutím výrobních limitů do fáze optimalizace.

Optimalizace pylonu motoru

Kromě udržení motoru na křídle letadla, je pylon navržen tak, aby mohl plnit více funkcí, jako je např. zamezení šíření požáru z motoru na křídlo letadla. Pylon také hraje důležitou roli v strukturálních, aerodynamických a systémových (hydraulický, elektrický atd.) požadavcích na letadla. S potřebou integrovat stále větší letecké motory do letadlových konstrukcí, jsou konvenčně používané konstrukční a výrobní postupy na hranicích svých možností. Proto se firma SOGECLAIR rozhodla najít jiný technologický přístup, který by ji umožnil dosáhnout požadovaných cílů.

Zpravidla na výrobu komponenty, která prošla optimalizací, je potřeba méně materiálu při zachování původní tuhosti. Toho je docíleno tím, že materiál je vrstven lokálně pouze do oblastí, které vyžadují zesílení. ALM technologii pak umožňuje výrobu takto optimalizovaných součástek, které mají většinou složité struktury.

Prvním krokem ve vývoji nového pylonu letadla byla studie, která měla ověřit, jestli je možné dosáhnout efektivního řešení při splnění zadaných cílů. Optimalizace vycházející z dostupného designového prostoru, zatěžujících stavů a okrajových podmínek byla provedena programem OptiStruct. Do optimalizace byla zahrnuta i výrobní omezení. Výsledný návrh byl uhlazen v programu CAD a znovu numericky prověřen programem OptiStruct.

Tímto postupem mohli inženýři docílit lehčí struktury pylonu mnohem rychleji než při použití tradičních vývojových postupů. V porovnání s konvenčním designem pylonu, umožnil takto vedený proces optimalizace integrovat systémové prvky (především potrubí) přímo do struktury pylonu, čímž i mimo jiné přispěl k celkové pevnosti.

Na základě výsledků optimalizace je vytištěn finální 3D model pylonu motoru. Ve srovnání s tradičními vývojovými a výrobními metodami je možno dosáhnout snížení hmotnosti zhruba o 20 procent.

Výsledkem optimalizace je ideální geometrie, která je téměř konečnou podobou vyrobené součásti 3D tiskem.

ytištěný a zmenšený 3D model pro vyhotovení celého procesu výroby produktu.

Výsledem je 20% snížení hmotnosti a to i v případech velmi limitovaných struktur (z hlediska napětí, rozměrů, systémů, atd.). Kromě toho celkový počet součástí byl snížen o 97 %, což poskytuje další úsporu času a nákladů.

Efektivní vývoj s HyperWorks

HyperWorks nabízí firmě SOGECLAIR aerospace inovativní, efektivní prostředí vývoje s větší volností v navrhování, rychlejší vývojový cyklus, a nižší náklady. Tento software umožňuje dosažení výrazných úspor hmotnosti při splnění daných požadavků na produkt (tuhost, pevnost, zatížení šroubů, atd.) a na výrobu. Topologická optimalizace provedená programem OptiStruct umožňuje prozkoumání nových inovativních konceptů na počátku procesu vývoje, čímž opět šetří čas. Kromě geometrické rekonstrukce v programu CAD, HyperWorks pokrývá celý proces optimalizace.

O firmě Altair

Altair je zaměřen na vývoj a široké využití technologií simulace pro syntézu a optimalizaci konstrukce, procesů a rozhodnutí k zlepšení podnikové výkonnosti. Společnost je v soukromých rukou a zaměstnává více než 2600 zaměstnanců na celém světě. Altair má hlavní sídlo v Troy, Michigan, USA a provozuje více než 45 kanceláří v 24 zemích světa. Nyní Altair obsluhuje více než 5000 firemních zákazníků z mnoha průmyslových odvětví. Více informací naleznete na www.altair.com.

O programu HyperWorks

HyperWorks je simulační řešení pro malé i velké společnosti, které je zaměřeno na urychlení vývoje a rozhodování. Jakožto jeden z nejkomplexnějších CAE programů s otevřenou architekturou k mání, HyperWorks obsahuje/nabízí to nejlepší, z hlediska modelování, analýzy, vizualizace i hospodaření s daty v rámci lineárních, nelineárních a optimalizačních úloh. Mimo jiné HyperWorks nabízí řešení pro řadu dalších oblastí jako například proudění tekutin (CFD), či dynamiku mechanických systémů (MBS).
www.altairhyperworks.com