Реализация топологической оптимизации методом BESO в среде ANSYS APDL и ее применение для оптимизации формы шатуна тепловозного дизеля

Повышение удельных показателей поршневых двигателей внутреннего сгорания с одновременным снижением их материалоемкости требует поиска оптимальных по массе деталей. При этом детали должны сохранять работоспособность. На большую часть деталей одновременно действуют несколько нагрузок, переменных по значению и направлению, что усложняет задачу поиска оптимальной формы. В настоящее время актуальной задачей является разработка автоматизированных методов решения подобных оптимизационных задач. Рассмотрен алгоритм топологической оптимизации методом BESO, реализованный в среде ANSYS APDL. Определены целевая функция, ограничения и критерии работоспособности для оптимизации шатуна тепловозного дизеля. Приведены результаты использования предложенной методики для поиска новой и оптимизации существующей конструкции шатуна. Сделан вывод о необходимости выполнения подробного эластогидродинамического расчета подшипников скольжения, что позволит ввести более адекватный критерий работоспособности шатуна. Определены дальнейшие шаги развития методики.

Литература

[1] Shenoy P., Fatemi A. Connecting Rod Optimization for Weight and Cost Reduction. SAE Technical Papers, 2005, pp. 2005-01-0987, doi: 10.4271/2005-01-0987

[2] Charkha P.G., Jaju S.B. Analysis & Optimization of Connecting Rod. Second International Conference on Emerging Trends in Engineering and Technology, 2009, January, pp. 86–91, doi: 10.1109/ICETET.2009.30

[3] Zheng Bin, Liu Yongqi, Liu Ruixiang, Meng Jian. Finite Element Analysis and Structural Improvement of Diesel Engine Connecting Rod. Advanced Materials Research Online, 2011, vol. 291–294, pp. 2413–2416, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.291-294.2413

[4] Hou X., Tian C., Fang D., Peng F., Yan F. Sensitivity Analysis and Optimization for Connec-ting Rod of LJ276M Electronic Gasoline Engine. International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering, Wuhan, China, 2009, pp. 1–5, doi: 10.1109/CISE.2009.5363219

[5] Лимаренко А.М., Романов А.А., Алексеенко М.А. Оптимизация шатуна автомобильного двигателя методом конечных элементов. Труды Одесского Политехнического Университета, 2012, № 2(39), с. 98–100.

[6] Roos D., Nelz J., Grosche A., Stoll P. Workflow-Konzepte zum benutzerfreundlichen, robusten und sicheren Einsatz automatischer Optimierungsmethoden. Proceedings of 21th CAD-FEM Users’ Meeting 2003 International Congress on FEM Technology, 12–14 November 2003, Potsdam, Germany, Grafing bei München, 2003, pp. 1–16.

[7] Rohit B. Bhandwale, Niloy K. Nath, Shailesh S. Pimpale. Design and Analysis of Connecting Rod with Abaqus. International Journal on Recent and Innovation Trends in Computing and Communication, 2016, vol. 4, is. 4, pp. 906–912.

[8] Clarich A., Carriglio M., Bertulin G., Pessl G. Connecting rod optimization integrating mode FRONTIER with FEMFAT. 6th BETA CAE International Conference. URL: http://www.beta-cae.com/events/c6pdf/12A_3_ESTECO.pdf (accessed 15 June 2018).

[9] Zuo Z.H., Xie Y.M. A simple and compact Python code for complex 3D topology optimization. Advances in Engineering Software, 2015, vol. 85, pp. 1–11, doi: 10.1016/j.advengsoft.2015.02.006

[10] Moezi S.A., Zakeri E., Bazargan-Lari Y., Zare A. 2&3-dimensional optimization of connec-ting rod with Genetic and modified Сuckoo optimization algorithms. Iranian Journal of Science and Technology: Transactions of Mechanical Engineering, 2015, vol. 39, no. M1, pp. 39–49, doi: 10.22099/IJSTM.2015.2947

[11] Shaari M.S., Rahman M.M., Noor M.M., Kadirgama K., Amirruddin A.K. Design of connecting rod of internal combustion engine: a topology optimization approach. National Conference in Mechanical Engineering Research and Postgraduate Studies (2nd NCMER 2010), 3–4 December 2010, Faculty of Mechanical Engineering, UMP Pekan, Kuantan, Pahang, Malaysia, 2010, pp. 155–166.

[12] Fonseka S. Development of New Structural Optimization Methodology for Vehicle Crashworthiness. Honda R&D Technical Review, 2010, vol. 22, no. 2, pp. 59–65.

[13] Jia D., Wu K., Wu S., Jia Y., Liang C. The Structural analysis and Optimization of Diesel Engine Connecting Rod. International Conference on Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology, 2011, vol. 6, pp. 3289–3292, doi: 10.1109/EMEIT.2011.6023712

[14] Vikram A. Shedge, Munde K.H. Optimization of Connecting Rod on the basis of Static & Fatigue Analysis. IPASJ International Journal of Mechanical Engineering, 2015, vol. 3, is. 5, pp. 7–13.

[15] García M.J., Boulanger P., Henao M. Structural optimization of as-built parts using reverse engineering and evolution strategies. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2008, vol. 35, is. 6, pp. 541–550, doi: 10.1007/s00158-007-0122-6

[16] Boehm P., Pinkernell D. Topology Optimization of Main Medium-Speed Diesel Engine Parts. 26th CIMAC Congress, 14–17 June, 2010 Bergen, 2010, no. 3, 75 p.

[17] Ogata Y., Suzuki S., Iijima Y. Optimization Method for Reduction of Transmission Housing Weight. Honda R&D Technical Review, 2004, vol. 16, no. 2, pp. 103–108.

[18] ГОСТ 25.504–82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. Москва, Изд-во Стандартов, 1994.