Безперервні волокнисті композити привертають велику увагу в академічних колах і широко використовуються в різних галузях промисловості, завдяки високим відносним характеристикам міцності та жорсткості, унікальним конструктивним та функціональним властивостям, особливо в відповідальних елементах літальних апаратів, таких як авіаційні балкові елементи. Однак, зростаючі вимоги до зменшення маси конструкції, висування інших спеціальних вимог до конструкцій аерокосмічній галузі потребують переосмислення методів проектування композитних структур. Традиційні методи проектування, які спрямовані на оптимізацію шарів композита (оптимізація кутів армуючого матеріалу, товщина та послідовності укладання шарів), не можуть в повній мірі задовольнити сучасним потребам на етапі проектування композитної конструкції. Топологічної оптимізація – це передовий метод структурного проектування, який отримав широке визнаний в науковій та інженерній сферах та додатках. Цей метод дозволяє проводити оптимізацію конструкції, зменшуючи вагу конструкції, частково змінюючи її геометрію та водночас залишаючи високими механічні характеристики конструкції. Топологічна оптимізація ізотропних матеріалів є добре дослідженою областю, яка широко використовується в промисловості. Однак, в галузі армованих волокнистих композитів цей метод вважається перспективним хоча все ще знаходиться на дослідницькій стадії. Крім того, відкритими залишаються й питання технології виробництва оптимізованих композитних конструкцій, особливо коли процеси проектування, оптимізації й виробництва йдуть пліч-о-пліч і накладаються певні технологічні обмеження.
Тому метою дисертації є мінімізація маси авіаційних композитних балкових конструкцій на основі теорії шаруватих композитів та методу топологічної оптимізації з урахуванням технологічних обмежень.
Об’єктом дослідження є авіаційні композитні балкові конструкції, такі як лонжерони, нервюри та ін.
Предметом дослідження є проектування композитних балкових конструкцій методом топологічної оптимізації з урахуванням технологічних обмежень.
Теоретична частина роботи ґрунтується на базових теоріях механіки армованих матеріалів, теорії скінченних елементів, теорії топологічної оптимізації, а також теорії вібрації. Розроблені системи кінцевих елементів і оптимізації в розділах 2 і 5 реалізовані за допомогою розробленого програмного коду в середовищі MATLAB. Алгоритм оптимізації, який використовується в цій роботі, включає алгоритми MMA, GCMMA та IDSA. У розділах 3 та 4 процес топологічної оптимізації реалізується за допомогою комерційного програмного продукту Altair-Inspire, моделювання кінцевих елементів реалізується комерційним програмним забезпеченням ANSYS. Здійсненність та ефективність запропонованої оптимізаційної системи перевіряються чисельними прикладами та моделюванням методом кінцевих елементів.
Наукова новизна отриманих результатів.
1. Вперше запропоновано гібридну багаторівневу оптимізаційну схему для одночасного проектування та топологічної оптимізації орієнтації волокна композитної конструкції. Гібридний багаторівневий метод дозволяє уникнути поганої збіжності та локальних оптимумів при оптимізації шаруватих пластин. В запропонованому методі одночасно розглядається оптимізація матеріалу так і конфігурації, крім того закладається теоретична основа для оптимального проектування конструкцій з шаруватих балок постійної жорсткості.
2. Вперше для композитних балкових конструкцій синтезовано новий метод проектування, який поєднує в собі існуючі методи проектування, топологічної оптимізації та технологію виробництва. Також, було надано концептуальне рішення для системи автоматизованого намотування. Запропонований метод дає новий поштовх для інтеграції проектування й виробництва композитних балкових конструкцій.
3.Вперше досліджено топологічну оптимізацію шаруватих композитних структур при гармонічних збудженнях навантаженнях. Було запропоновано новий метод розрахунку гармонійного навантаження композитних структур, який забезпечує ефективне рішення для топологічної оптимізації композитних конструкцій під впливом гармонічного силового впливу.
Результати дослідження, наведені в дисертації, покращують практичність методу топологічної оптимізації, розширює діапазон застосування, надає важливу теоретичну значущість і закладає необхідну дослідницьку базу для застосування полегшеного проектування волокнисто-армованих композитних конструкцій в інженерних конструкціях.
