РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ОПТИМИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ МЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ РЕАКТОРНЫХ УСТАНОВОК ПО УСЛОВИЯМ ПРОЧНОСТИ

Автор: Евгений Сергеевич Стеклов

Соавторы: Ереев М.Н., Соловьев С.А., Патрушев В. Л., Барашков С.А.

Организация: АО «ОКБМ Африкантов»

(а)                                                                   (б)

Рисунок 1 – Оптимизированная конструкция рабочего колеса топологическим (а) и параметрическим (б) методами.

В настоящее время существуют несколько оптимизационных подходов, позволяющих обеспечить для проектируемых деталей характеристики и работоспособность в условиях имеющихся ограничений. Компоновка, общий вид деталей часто выбирается конструктором на основе ранее полученного опыта, либо по примеру уже существующих в отрасли аналогов, доказавших свою работоспособность. Для механического оборудования атомной промышленности существенной характеристикой является вес деталей.

Целью исследования является оптимизация колеса рабочего вентилятора системы охлаждения. Методом компьютерного моделирования разработаны цифровые 3D конструкторская геометрическая и расчетная модели рабочего колеса. Основными действующими нагрузками на элементы рабочего колеса, учитываемых при проведении оптимизации, являются центробежные силы, напор, крутящий момент, внешнее вибрационное воздействие, сейсмическое воздействие. Критерием оптимизации задано уменьшение массы рабочего колеса с выполнением условий прочности: статической, циклической, вибропрочности.

Одним из способов определения рациональной формы детали, обеспечивающей наилучшие весовые характеристики при заданных внешних воздействиях и известных свойствах материала является подход, основанный на алгоритмах топологической оптимизации. Особенность метода – получение величины, отвечающей за наличие или отсутствие материала в расчетной области («псевдоплотность»). «Псевдоплотность» принимает значение от нуля до единицы, где «0» - полное отсутствие материала, «1» - полное заполнение материалом расчетной области.

Вторым способом является многопараметрическая оптимизация по поверхности отклика, когда сначала определяются значения целевой функции в некоторых заданных точках, а последующая параметрическая оптимизация выполняется для аппроксимированной целевой функции.

В результате исследований с использованием двух технологий оптимизации получены два конечных варианта рабочего колеса оптимизированной конструкции, имеющих сниженную на 20% массу. Оптимизированные конструкции рабочего колеса: топологическая в коммерческом ПО и параметрическая в отечественном ПО приведены соответственно на рисунках 1а и 1б.

Исходя из анализа полученных результатов использование каждого из двух подходов следует проводить исходя из конструктивных особенностей сборочных единиц, деталей (сплошное тело, сплошная конструкция, трубопровод, гостированные профили). А использование совместно различных методов оптимизации и различных назначаемых критериев (масса, напряжение, деформация собственные частоты колебаний) позволяет получать более эффективный результат и наиболее оптимальную конструкцию.