09.11.2022 12:37
PavelSX 47 5200 Источник

Топологическая оптимизация является новой и крайне актуальной технологией. Она применяется для снижения массы деталей без снижения функциональности. В космической разработке она применяется компанией "СПУТНИКС" одной из первых. Как частная космическая компания мы можем позволить себе не быть консервативными и внедрять новые технологии, как только они появляются.

С помощью ТО мы снизили массу детали в два раза, стоимость запуска в два раза, стоимость ее производства более, чем в семь раз. Как мы этого добились? Предлагаем вашему вниманию максимально полное руководство по топологической оптимизации применительно к разработке комплектующих для спутника. Уверены, представленные данные и наш опыт помогут любому специалисту, стремящемуся разобраться в деталях ТО. Поехали!

Деталь после оптимизации. Золотая паутинка вместо монолитной части внизу - оптимизирована.
Деталь после оптимизации. Золотая паутинка вместо монолитной части внизу - оптимизирована.

Почему космосу нужна ТО?

Неотъемлемое техническое требование к любой продукции космической промышленности - снижение массы изделия. Это проблема, которую конструкторы решают постоянно. Необходимо на каждой стадии разработки минимизировать массу составных частей космического аппарата, а как следствие – его финальную массу. Более 50% массы аппарата составляет его корпус. Соответственно, топологическая оптимизация, позволяющая снизить массу каждой детали в два и более раза без потери качества, становится ценнейшим подспорьем.

В 2022 году запуск аппаратов на орбиту на ракета-носителе Союз-2.1 обходился в порядка 10000$ за 1 кг. То есть, присутствует еще и огромная экономическая выгода от снижения веса КА. Как частная космическая компания, мы не можем не заботиться о рентабельности наших продуктов. И применение ТО позволило нам добиться весьма впечатляющих результатов.

Как мы пришли к идее топологической оптимизации

Под топологической оптимизацией подразумевается процесс изменения конструкции и структуры детали, а также всех ее варьирующихся параметров, при заданном критерии оптимальности. При этом ее функционал полностью сохраняется или даже улучшается.

В очередной раз решая проблему минимизации массы, наша команда конструкторов решила пойти по новому пути и использовать аддитивные технологии. Под ними я подразумеваю послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3D-технологий.

Наш выбор пал на технологию SLS (Selective Laser Sintering), или технологию лазерного запекания. При ее использовании образуются особо прочные объекты любых размеров. Технология SLS еще не успела прижиться в российской космической промышленности, так как эта отрасль, особенно в нашей стране, очень консервативна. Новые технологии применяются в ней спустя годы, а в отдельных случаях — десятилетия.

Ниже мы расскажем о нашем опыте проектирования элементов конструкции на примере кронштейна для гироскопов космического аппарата. Гироскопы определяют вращение КА в пространстве. Каждый из их определяет вращение только по одной оси. Очевидно, что 3-х гироскопов достаточно, чтобы однозначно определить вращение в пространстве, но тут вступает в силу привычное дублирование в космической технике и один из них является дублирующим.

Этапы проектирования

1.     Подготовка «Болванки»

На данном этапе, конструктор выставляет гироскопы и подготавливает болванку для топологической оптимизации (рис. 1).

Рисунок 1. "Болванка"
Рисунок 1. "Болванка"

Болванка представляет собой монолитную деталь со всем пространством, пригодным для оптимизации, «выщербления» элементов (рис. 2).

Рисунок 2
Рисунок 2

Важно исключить области, которые могут препятствовать завинчиваю винтов, прохождению кабелей и собственно областей пересекающий нагружаемые или внешне-корпусные элементы. Так же на этом эатпе необходимо определить области, не попадающие под оптимизацию (рис. 3). Это могут быть поверхности касания винтов, поверхности касания приборов (не полностью, а в площадях необходимых для сведения тепла или достаточно жесткой опоры прибора).

Рис. 3 - Поверхности, исключаемые для оптимизации
Рис. 3 - Поверхности, исключаемые для оптимизации

Также на этом этапе важно подготовить отверстия для крепления. Речь здесь и о креплении оптимизированной детали к основанию КА, и о креплении нагружаемых деталей (гироскопов) к оптимизированной детали. Соответственно, выделение зеленым внизу и по бокам поверхности на картинке выше.

Подготовка конечно-элементной модели топологической оптимизации

Модель импортируется в соответствующую программу, позволяющую выполнять процесс топологической оптимизации. Программ для топологической оптимизации довольно много, у всех есть свои плюсы и минус. На Хабре эта тема уже поднималась, например вот тут.

Импортируемый формат – STEP. Модель не должна содержать винтов и нагружаемых деталей. Можно проводить ТО и с ними, но оптимизация будет проходить гораздо дольше. А мы ведь стремимся к эффективности… В подготовленный проект импортируется новая геометрия. При необходимости, геометрия предварительно редактируется. Материал задается максимально приближенный к реальному. Прежде всего, нужно добиться соответствия плотностей.

Далее модель разбивается на тетраэдральную сетку методом конечных элементов (МКЭ). Первоначальная сетка (рис. 4) настраивается таким образом, чтобы получить 4-6 млн элементов узлов сетки. Здесь все зависит от мощности используемой ЭВМ. Решив сэкономить на вычислительных мощностях, и увеличивая количество узлов сетки, мы получаем более упрощенный постпроцессинг. Но об этом ниже.

Рис. 4 – Сетка МКЭ
Рис. 4 – Сетка МКЭ

Важно упомянуть, что топологическая оптимизация возможна и в контексте сборки, однако это требует больше времени на расчет.

Подготовка среды нагрузок топологической оптимизации

В модуле оптимизации сильно ограничен выбор типов нагружений, которые можно задавать в качестве критериев. Вместо ударных нагрузок и случайной вибрации, которые являются самыми серьезными и распространенными видами нагружений в космосе, симулируются статические нагрузки. Они должны быть направлены по тем же осям, что и ударные в контрольной симуляции.

Дополнительно можно указать направления, важные с точки зрения назначения детали. Например, если в итоговом результате должна отображаться симметрия, направления нагрузок должны дублироваться согласно симметрии. На каждое из направлений нагрузок создается отдельное нагружение. В нашем случае для полноценной симуляции этих нагружений требуется шесть.

Дополнительно можно указать направления, важные с точки зрения назначения детали. Например, если в итоговом результате должна отображаться симметрия, направления нагрузок должны дублироваться согласно симметрии. На каждое из направлений нагрузок создается отдельное нагружение. В нашем случае для полноценной симуляции этих нагружений требуется шесть.

К примеру, задается тип нагружения «ускорение». Таким образом мы имплементируем в симуляцию нагрузку от собственной массы. Направление ускорения совпадает с направлением нагрузки, описанным выше. Значение ускорения по данному проекту выбирается 50g.

Далее назначаются фиксируемые поверхности.  Прежде всего, это отверстия крепления болванки к основанию. Если вектор ускорения направлен от плоскости касания (под любым углом) или не параллелен с этой плоскостью, то в качестве фиксируемой поверхности можно указывать плоскость касания болванки с основанием. Представьте, как будто системе придается ускорение. Будет ли деталь давить на основание? Если будет, предотвращается «виртуальное» проникновение детали к основанию.

Рис. 5 – Пример нагружения для одного из направлений нагрузок. Желтый вектор – направление ускорения, красные вектора – направления нагрузок, красные поверхности – поверхности приложения нагрузок.
Рис. 5 – Пример нагружения для одного из направлений нагрузок. Желтый вектор – направление ускорения, красные вектора – направления нагрузок, красные поверхности – поверхности приложения нагрузок.

Назначаются поверхности нагружения, вектора нагрузок и значение сил. Основная идея заключается в том, чтобы имитировать нагрузку со стороны гироскопов, действующих на оптимизируемую деталь, под действием ускорения на всю систему (рис. 5). Чтобы добиться этого в статической системе нагрузок, важно соблюдать несколько правил:

1. Вектор нагрузки направлен в противоположном направлении относительно вектора ускорения. Так мы имитируем инерционность приборов.

2. Модуль нагрузки равен массе прибора умноженного на модуль ускорения.

3. Поверхности приложения нагрузок из тех, где есть контакт с прибором, выбираются по такому же принципу, как и фиксируемые поверхности. То есть, если вектор нагрузки направлен «от» или параллельно поверхности, сама поверхность не указывается. Во всех других случаях – указывается. 

4. Для каждого отдельного прибора нагрузка создается отдельно.

Подготовка модуля топологической оптимизации

На этой стадии в расчет подтягиваются результаты со всех блоков статических нагрузок, настраиваются пространства для оптимизации. В качестве области на этот раз выбирается все тело. В качестве мест исключений выбираются поверхности касания кронштейна с гироскопами и с установочной поверхностью, крепежных отверстий и дополнительных поверхностей, предусмотренных техническим заданием (рис. 6).

Рис. 6 – Регион оптимизации. Синим выделены область для оптимизации. Красным – области, исключённые из оптимизации.
Рис. 6 – Регион оптимизации. Синим выделены область для оптимизации. Красным – области, исключённые из оптимизации.

Топологическая оптимизация работает по нескольким ключевым критериям. Вот они:

1.     Критерий итоговой массы. Задается диапазон допустимых масс. Первоначальный вариант этого числа может колебаться от 8% до 20%. Конечный вариант подбирается по результатам предварительных расчетов и результатам сходимости.

2.    Критерий внутренних напряжений. Добавляется ограничение разброса внутренних напряжений. Физическое значение данного пункта заключается в получении максимально возможного равномерного распределения возникающих внутренних напряжений.

3.    Критерий минимальной толщины. С целью исключения в результате оптимизации слишком тонких компонентов добавляется ограничение минимальной толщины. Значение подбирается эмпирически, но в нашем случае в качестве первоначального можно выставить 4 мм.

4.   Критерий симметрии. Если в результате модель должна отображать симметрию, необходимо добавить ограничение типа «симметрия». В качестве плоскости симметрии выбирается одна из плоскостей системы координат. Если таковых недостаточно или среди них отсутствует нужная, необходимо добавить систему координат, и выставлять симметрию относительно ее плоскостей. Делается это в первую очередь для ускорения расчёта.

Также перед запуском оптимизации нелишним будет обратить внимание на параметр максимального количества итераций. По умолчанию выставлено значение в 500 итераций. Такое их количество имеет смысл использовать при уточненной/окончательной оптимизации. То есть, когда подбираются мельчайшие ограничения и расчет ведется на мелкой сетке.

Для наших расчетов за это значение принимается 300. Однако если график сходимости выходит на ровную линию и остается на ней достаточно долго, рекомендуем прервать расчет самостоятельно. Это сэкономит много времени. Лучше изменить параметры вручную. К примеру, поднять верхнее ограничение по массе.

Как проводить саму топологическую оптимизацию

Оптимизацию следует проводить в несколько этапов. Нужно минимум две итерации. Одна предварительная, с полным расчетом результата после постобработки. И вторая — окончательная.

Предварительная делается для того, чтобы понимать, насколько подобранные нагрузки соответствуют тем, которых они призваны заместить. После предварительной итерации можно, при необходимости, изменить геометрию исходной детали, изменить коэффициенты нагрузок и т.д.

О успешности процесса оптимизации нужно судить из графика сходимости в процессе расчета. О том, что делать, если график выходит на плато, было написано выше. Не стоит прерывать оптимизацию, если на первоначальных этапах график взлетит слишком высоко. Пример графика с успешной сходимостью изображен на рис. 7, оптимизированная деталь представлена на рис. 8.

Рис. 7 - Пример графика успешной сходимости оптимизации
Рис. 7 - Пример графика успешной сходимости оптимизации
Рис. 8 - Пример успешно оптимизируемой детали
Рис. 8 - Пример успешно оптимизируемой детали

ВАЖНО! Увеличение количества ограничений, как и увеличение количества компонентов, входящих в состав критериев оптимизации, ухудшают сходимость оптимизации.

Первичная постобработка

Первичная постобработка заключается в исправлении ошибок модели и сглаживании фасетной сетки, по необходимости, меняется размер сетки.

Результат экспортируется из расчетной программы. Первичную постобработка проходит средствами самой расчетной программы.

Стандартный порядок постобработки, следующий:

1. Модель исправляется инструментом “автоисправление”.

2. Исправляются дефекты сетки: удаляются и заполняются “неоправданно” острые края и острые впадины. Удаляются артефакты – возникающие иногда отдельно расположенные конечные элементы.

3. Если деталь не симметричная, то дальнейшая постобрабока ведется сразу над всем телом, без разделения на ее симметричные части с последующим копированием или отражением. В таком случае, необходимо удалить и заполнить отверстия.

4. Применяется сглаживание.

5. Далее повторно применяется инструмент «автоматическое исправление".

6. Модель проверяется на наличие новых острых краев и впадин. При их появлении они исправляются.

7. Модель сохраняется как модель формата STL. ВАЖНО! Переводить модель в твердотельный формат НЕ НУЖНО!

Рис. 9 - Примеры артефактов после первого сглаживания.
Рис. 9 - Примеры артефактов после первого сглаживания.

Окончательная постобработка

Все работы ведутся инструментами полноценной CAD программы в модулях типа «скульптинг».

  1. Обработка фасетного тела. На этом этапе от модели отрезаются те части, которые могут быть заменены операциями симметрии. Также удаляются поверхности отверстий, если это не было сделано ранее. На этом этапе сглаживание можно провести несколько раз.

  2. Доработка модели. С помощью базового моделирования достраивается установочные поверхности, выстраиваются отверстия (рис. 10 - 12).

Рис. 10 – модель кронштейна после окончательной постобработки.
Рис. 10 – модель кронштейна после окончательной постобработки.
Рис. 11 – модель кронштейна после окончательной постобработки.
Рис. 11 – модель кронштейна после окончательной постобработки.
Рис. 12 – модель кронштейна после окончательной постобработки.
Рис. 12 – модель кронштейна после окончательной постобработки.

Проверочный прочностной расчет

Не будем вдаваться в подробности проведения прочностного расчета элементов космического аппарата, это также тема для отдельной статьи. Вместо этого представим результаты, показывающие распределение нагрузок и стойкость к внешним воздействиям.

На рисунке 13 представлена структурная схема проведения прочностного расчета.

Рисунок 13 – Структурная схема расчета
Рисунок 13 – Структурная схема расчета

Среди представленных результатов фигурируют ударный анализ и случайные вибрации, являющиеся наиболее «опасными» видами нагружения для данной конкретной конструкции.

На рисунках 14 – 20 представлены результаты расчета на случайные вибрации.

На рисунке 17 указан концентратор напряжений (118 МПа) при вибрации вдоль оси Y. Напряжения игнорируются, принимаются во внимание только соседние элементы (80 МПа).

Как видно из результатов расчета на случайную вибрацию, деформация конструкции не превышает 0,12 мм и внутренние напряжения не превышают 80 МПа, что является удовлетворительным.

Рисунок 14 – внутренние напряжения, при вибрации вдоль оси X
Рисунок 14 – внутренние напряжения, при вибрации вдоль оси X
Рисунок 15 – деформация, при вибрации вдоль оси X
Рисунок 15 – деформация, при вибрации вдоль оси X
Рисунок 16 – внутренние напряжения при вибрации вдоль оси Y
Рисунок 16 – внутренние напряжения при вибрации вдоль оси Y
Рисунок 17 – концентратор при вибрации вдоль оси Y
Рисунок 17 – концентратор при вибрации вдоль оси Y
Рисунок 18 – деформация, при вибрации вдоль оси Y
Рисунок 18 – деформация, при вибрации вдоль оси Y
Рисунок 19 – внутренние напряжения при вибрации вдоль оси Z
Рисунок 19 – внутренние напряжения при вибрации вдоль оси Z
Рисунок 20 – деформация, при вибрации вдоль оси Z
Рисунок 20 – деформация, при вибрации вдоль оси Z

На рисунках 21 – 36 представлены результаты расчета на ударные нагрузки.

Рисунок 21 – внутренние напряжения при ударе вдоль оси X
Рисунок 21 – внутренние напряжения при ударе вдоль оси X
Рисунок 22 – концентратор напряжений при ударе вдоль оси X
Рисунок 22 – концентратор напряжений при ударе вдоль оси X
Рисунок 23 – деформация, при ударе вдоль оси X
Рисунок 23 – деформация, при ударе вдоль оси X
Рисунок 24 – максимальные напряжения, при ударе вдоль оси X
Рисунок 24 – максимальные напряжения, при ударе вдоль оси X
Рисунок 25 – максимальная деформация, при ударе вдоль оси X
Рисунок 25 – максимальная деформация, при ударе вдоль оси X
Рисунок 26 – внутренние напряжения при ударе вдоль оси Y
Рисунок 26 – внутренние напряжения при ударе вдоль оси Y
Рисунок 27 – концентратор напряжений при ударе вдоль оси Y
Рисунок 27 – концентратор напряжений при ударе вдоль оси Y
Рисунок 28 – деформация, при ударе вдоль оси Y
Рисунок 28 – деформация, при ударе вдоль оси Y
Рисунок 29 – максимальные напряжения, при ударе вдоль оси Y
Рисунок 29 – максимальные напряжения, при ударе вдоль оси Y
Рисунок 30 – максимальная деформация, при ударе вдоль оси Y
Рисунок 30 – максимальная деформация, при ударе вдоль оси Y
Рисунок 31 – внутренние напряжения при ударе вдоль оси Z
Рисунок 31 – внутренние напряжения при ударе вдоль оси Z
Рисунок 32 – концентратор напряжений при ударе вдоль оси Z
Рисунок 32 – концентратор напряжений при ударе вдоль оси Z
Рисунок 33 – деформация, при ударе вдоль оси Z
Рисунок 33 – деформация, при ударе вдоль оси Z
Рисунок 34 – максимальные напряжения, при ударе вдоль оси Z
Рисунок 34 – максимальные напряжения, при ударе вдоль оси Z
Рисунок 35 – максимальная деформация, при ударе вдоль оси Z
Рисунок 35 – максимальная деформация, при ударе вдоль оси Z

На рисунках 22, 27, 32 указаны концентратор напряжений (223, 295, 228 МПа) при ударных нагрузках вдоль всех осей, напряжения игнорируются, и принимаются во внимание только соседние элементы (137, 137, 133 МПа).

Как видно из результатов расчета на удар, деформация конструкции не превышает 0,32 мм и нагрузки не превышают 137 МПа, что является удовлетворительным.

Тепловой расчет

Аналогично с предыдущим пунктом, не будем вдаваться в подробности проведения теплового расчета элементов космического аппарата, а представим результаты, показывающие, распределение тепловых потоков и температурные поля.

На рисунках 36-40 представлены результаты расчета «Горячего случая».

Рисунок 36 – температура кронштейна, «горячий» случай
Рисунок 36 – температура кронштейна, «горячий» случай
Рисунок 37 – тепловые потоки, «горячий» случай
Рисунок 37 – тепловые потоки, «горячий» случай
Рисунок 39 – тепловые потоки через основание, «горячий» случай
Рисунок 39 – тепловые потоки через основание, «горячий» случай
Рисунок 40 - Вектора тепловых потоков
Рисунок 40 - Вектора тепловых потоков

Средний тепловой поток через основание прибора составляет 0,483 Вт/см2, что удовлетворяет требованиям. Температура всех гироскопов находится в допустимых значениях, на 12˚С выше температуры установочной плоскости кронштейна.

Термостатический расчет

Анализ тепловых деформаций в результате перепадов температур показывает, насколько изменятся положения точек крепления гироскопов в результате перепадов температур. В таблице 1 и на рисунках 41, 42 представлена деформация по трем направлениям крепежных площадок гироскопов. Данные представлены для разных значений температур установочной плоскости.

Рисунок 41 – деформация конструкции
Рисунок 41 – деформация конструкции
Рисунок 42 – площадки крепления гироскопов
Рисунок 42 – площадки крепления гироскопов

Заключение

В данной статье мы описали полный цикл разработки одного из важнейших кронштейнов космического аппарата с помощью технологии топологической оптимизации и 3D-печати. В результате была достигнута главная цель: выбор оптимального по конструкции варианта кронштейна с точки зрения минимизации массы, технологии изготовления и цены.Изготовление такого кронштейна из порошка марки AlSi10Mg обходится примерно в 2000$ c учетом последующей механической обработкой. И на эту тему, возможно, мы подготовим для вас еще одну статью.

Без лишних слов, представляем таблицу 2. В ней приведено сравнение с предыдущими вариантами того же кронштейна, произведенного по технологии фрезерования. Снижение массы, стоимости производства и запуска говорят сами за себя.

По технологии фрезерования производятся кронштейны похожего типа, но в космических отраслях с «консервативным подходом», а также без доступа к мощным ЭВМ и серверным системам.

Комментарии (47)


  1. abutorin
    09.11.2022 12:51
    #24896612
    +4

    А расчет на нагрузки возникающие при дополнительной мех. обработке делали? Посадочные поверхности ведь еще нужно профрезеровать.


    1. PavelSX Автор
      09.11.2022 13:04
      #24896680
      +3

      Да, конечно, посадочные поверхности отдельно обрабатываются на 5-осевом ЧПУ. Нагрузки от фрезерования незначительны по сравнению с нагрузками при выведении на ракете-носителе, поэтому отдельно расчет на них не проводится.

      Но тут нужно обязательно учитывать момент, что обрабатываемые поверхности должны быть жесткими и соединены с другими элементами кронштейна.

      В данном кронштейне, мы дополнительно наращивали некоторые "нити" для обеспечения данного требования.


      1. abutorin
        09.11.2022 17:18
        #24897746
        +1

        незначительны по сравнению с нагрузками при выведении на ракете-носителе

        Может и да, но только на орбиту виводиться весь спутник "в сборе" где к кронштейну уже прикреплены другие элементы, что влияет на "жёсткость" конструкции. Кажется что простое сравнение не совсем корректно.


        1. PavelSX Автор
          10.11.2022 00:58
          #24899298
          +2

          При проведении расчета, в расчетной программе мы закрепляем на него эквивалентные по массе и моментам инерции «болванки» приборов, чтобы расчет проводился максимально близко к реальности

          На картинках же, мы погасили эти эквивалентные массы, дабы не «засорять» вид


    1. DarkTiger
      09.11.2022 13:11
      #24896720
      +1

      Можно, например, сделать поддержки, принимающие на себя основные механические нагрузки при фрезеровке. Можно установочной базой сделать не основание, а что-то другое, можно менять установочные базы в процессе - зависит от требуемой точности. Можно, в конце концов, сделать минимальную подачу фрезы. В общем, там уже дальше совместная работа проектировщика и технолога.


      1. abutorin
        09.11.2022 16:37
        #24897596

        Подпорку нужно каждую индивидуально подгонять. Поверхность после печати не ровная, нужно еще учитывать размер патна контакта (а то держать не будет). Да и "серию" с подпорками делать это под каждый экземпляр подгонять.

        А так конечно конструктор должен хорошо уметь в технологию. Иначе такого "напридумывает".


  1. LuggerFormas
    09.11.2022 13:22
    #24896792

    del


    1. PavelSX Автор
      09.11.2022 13:34
      #24896858
      +2

      Вы абсолютно правы, проблемы с отводом тепла намного серьезнее и сложнее в решении в космической технике. При топологической оптимизации сильно уменьшается итоговый теплоотвод и способность его аккумулировать.

      В данной статье мы привели результаты теплового расчета. Сама технология тут не раскрыта, ибо это сделает статью нечитабельной. Расчет проводится в нескольких режимах, в крайних по теплу и холоду случаях. При недостаточном отводе тепла, должны быть нарощены дополнительные "нити" или увеличено их сечение.


  1. AlexArt84
    09.11.2022 13:38
    #24896880
    -7

    Ха, я узнал эту программу: ANSYS. Да и на некоторых рисунках вы забыли удалить логотип. Очевидно, вы сделали расчет в импортнозамещенной программе (сарказм - для тупых).


  1. ion2
    09.11.2022 14:02
    #24896980
    +6

    15000$ за изготовление традиционными методами. Как-то подозрительно дорого выходит.


    1. Gryphon88
      09.11.2022 14:45
      #24897096

      Фрезеровка с низкими допусками объекта сложной формы из болванки действительно дорого.


    1. DvoiNic
      09.11.2022 14:45
      #24897100
      +3

      присоединяюсь к вопросу — «почему традиционное изготовление настолько дорого?»


    1. gans_AD
      09.11.2022 15:15
      #24897250
      +3

      удорожающий коэффициент на космическую отрасль


    1. PavelSX Автор
      09.11.2022 16:15
      #24897516
      +4

      Тут нужно понимать несколько аспектов:

      1. Материал. Точится из цельного куска; довольно большая заготовка порядка 300х300х300 мм; довольно дорогой материал.

      2. Серийность. В рамках одного космического аппарата, почти все детали являются уникальными либо штучными что повышает цену в 2-3 раза относительно серийного изделия.

      3. Технология. Сама обработка на 5-осевом ЧПУ сильно дороже привычных 3-х осевых ЧПУ. Во время мех.обрабоки 3-5 раз проходит отпуск в печке.

      4. Допуски. Как уже написал Gryphon88, фрезеровка таких допусков не дешевое удовольствие и для их обеспечения делают сложные оснастки, отпускают в печке и каждый раз переписывают программу обработки меняя припуски, плавно подбираясь к неидеальной форме с отклонениями от модели не более написанных ниже:

        Угловые: 0.005 градуса

        Линейные: 0,05 мм


      1. DvoiNic
        09.11.2022 16:35
        #24897592
        +1

        Материал — понятно, что дорогой — но сомневаюсь, что настолько дороже сырья для вторго варианта.
        серийность — но ведь и во втором случае не «серия»
        технология — на мой дилетантский взгляд, 5-осевые ЧПУ привычнее лазерного спекания. Хотя нюансы типа «периодического отпуска» мне не были известны.
        допуски — но ведь и у вас есть окончательная мехобработка именно по этим причинам, правильно?
        хотя результат все равно впечатляет


        1. PavelSX Автор
          09.11.2022 17:27
          #24897780
          +1

          Мы провели финансовый анализ обоих вариантов и были сами приятно удивлены, но если есть хотя бы небольшая серия (от 10 шт.), то изготовление на ЧПУ становится дешевле и может конкурировать с печатью той же партии.


          1. DvoiNic
            09.11.2022 17:31
            #24897798

            Т.е. для ЧПУ -велика доля «программирования»? вроде это единственные «постоянные затраты». Но эти затраты есть и для аддитивной технологии.
            «я уже понимаю, что я чего-то не понимаю. но чего я не понимаю — я еще не понимаю»©


            1. PavelSX Автор
              09.11.2022 17:38
              #24897810

              Попробуйте напечатать на 3-д принтере (даже пластиком), поймете, что программирование 3-д печати на порядок проще програмирования мех. обработки на 5-осевом ЧПУ.

              Печь тоже вносит довольно большие временные и финансовые траты в данную технологию.

              Как вы уже и сами поняли, что в технологии с фрезерованием "с нуля" основные финансовые затраты получаются за счет програмирования, стабилизации в печи и повтора этих процедур до 5 раз


      1. speranskiyas
        10.11.2022 13:12
        #24900928

        Почему вообще не обойтись без кронштейна, а соединить гироскопы в пространственную конструкцию? Или объединить в один гироскоп


  1. gans_AD
    09.11.2022 16:07
    #24897494
    -3

    Как то вообще не впечатляет, честно говоря (особенно внешний вид кронштейна 1). На мой взгляд такой впечатляющий результат (снижение веса более чем в 2 раза) стал возможен исключительно потому что кронштейн 2 изначально был отвратительно сделан. Человеку, который разрабатывал кронштейн 2, как будто случайно забыли сказать что это для спутника и вес имеет значение. Возможно его делал вчерашний студент, который просто оказался единственным кто хоть как-то умеет в 3D работать. Иначе не понятно что помешало конструктору кронштейна 2 запустить расчет на прочность, найти ненагруженные места в конструкции и удалить их (и потом возможно повторить процедуру еще n-раз до тех пор, пока удалять станет нечего или малоэффективно). А можно было изначально использовать ферменную конструкцию, например из полых углеволоконных труб, и экономия в весе стала бы еще более впечатляющей (в стоимости кстати тоже, особенно учитывая небольшие размеры кронштейна). ТО по сути это и сделала, превратила цельный кусок в ферменную конструкцию.

    Вывод тут на мой взгляд такой - можно конечно и всякие умные программы использовать с использованием модных словечек. А можно более опытного конструктора позвать и правильно задачу поставить
    Хреновое ТЗ - результат хз...


    1. PavelSX Автор
      09.11.2022 16:28
      #24897572
      +6

      Внешний вид и не должен впечатлять, в ракетно-космической технике внешний вид не имеет никакого значения, только функциональность.

      Конструирование кронштейнов для космических аппаратов не совсем простое занятие и порой даже очень опытные конструктора не могут найти сбалансированное решение. Приборы которые устанавливаются на кронштейны накладывают довольно большой ряд ограничений. Упираешься либо в технологии либо в цену либо во время которого у нас как всегда нехватает.

      В данной статье мы рассказали как мощный компьютер способен сделать довольно большую работу за конструктора еще и с низкой ценой. А с использованием аддитивных технологий, конструктор вовсе не способен сконструировать такой кронштейн ибо компьтер делает равномерное распределение напряжений например.

      Как уже было написано выше, идельного решения найти невозможно в силу огромного кол-ва требований. Посмотрите на досуге теплопроводность углеволоконных труб и перечитайте статью.


      1. mpa4b
        09.11.2022 17:27
        #24897778
        +1

        А тепловые трубки разве не применяются в космичностях?


        1. PavelSX Автор
          09.11.2022 17:29
          #24897784
          +3

          Очень активно применяются.

          В нашем случае есть сотапанель с тепловыми трубками внутри. На этой панели стоит кронштейн и на нем уже прибор.

          В таком варианте "бутылочным горлышком" будет являться кронштейн по отведению тепла от прибора


      1. gans_AD
        09.11.2022 18:17
        #24897940

        Посмотрел я тут на досуге теплопроводность углеволоконных трубок. Заодно сравнил коэффициенты теплового расширения, которые, как мне кажется, будет влиять на тепловые деформации. Что в свою очередь, на мой дилетантский взгляд, немаловажно для детали удерживающей гироскопы для определения вращения КА в пространстве. А для отвода тепла можно использовать тепловые трубки.

        Но вам конечно виднее, у вас же мощный компьютер есть)


        1. PavelSX Автор
          09.11.2022 18:51
          #24898030
          +2

          да, коэффициенты теплового расширения довольно сильно меняют углы при неравномерном нагреве, по установочной плоскости. Для этого мы делаем расчет на линейную стабильность (результаты кстати тоже есть в данной статье)

          Ставить тепловые трубки на такие приборы с выделением порядка 5 Вт это как стрелять из пушки по воробьям)

          А мощный компьютер неплохое преобретение =)


      1. gans_AD
        09.11.2022 18:31
        #24897976

        А с использованием аддитивных технологий, конструктор вовсе не способен сконструировать такой кронштейн ибо компьтер делает равномерное распределение напряжений например.

        давно правда дело было, но если память не изменяет в ферменной конструкции, если нагрузка приложена только к узлам, то в стержнях возникают либо растягивающие, либо сжимающие усилия, которые одинаковы по все длине.

        А на счет того что конструктор не способен - после расчет можно же вывести изоповерхность с одинаковыми напряжениями...Ах точно, есть же мощный компьютер) зачем конструктора напрягать


        1. PavelSX Автор
          09.11.2022 18:54
          #24898036

          Наверное забыл упомянуть в данной статье, что для гироскопов есть требование чтобы они все были установлены на одино моонолитное основание, ферменная конструкция конечно мощь и на ней строится базовая конструкция большик космических аппаратов, но в данном случае неприминима


  1. KstnRF
    09.11.2022 20:13
    #24898218
    +2

    Интересно.
    Но тоже как писали выше в комментариях, есть доля скепсиса по поводу сравнения трудозатрат и целесообразности.
    Было бы неплохо, чтобы диаграммы напряжений и т.п. были приведены к одному масштабу. Для наглядности возможных деформаций с разных сторон.


    1. PavelSX Автор
      10.11.2022 00:22
      #24899174

      Сейчас данный кронштейн в изготовлении, как проведем полный цикл мех обработки и испытаний напишем продолжение статьи и более детально развернем момент с трудозатратами.


  1. Dogrtt
    09.11.2022 20:54
    #24898376
    +2

    ANSYS - наше всё. Помню, когда в аспирантуре учился и работал инженером-конструктором, много чего приходилось в нём делать. Связка ANSYS + CATIA v5 показали себя превосходно. Особенно порадовала возможность статистических расчётов, когда загружаемая модель является параметрической. Давно это было...
    Мы тогда тоже с топологической оптимизацией игрались, но под рукой не было инструмента для производства подобных деталей, так что, если бы поступило подобное задание, то скорее всего отчёт был-бы вида:
    Есть тут "в гаражах" один умелец, он такое за пол-литры из двутавра вам сварганить за час сможет =)


  1. domix32
    09.11.2022 21:39
    #24898692
    +1

    А это не ухудшает проблемы со всякими излучениями и всякими залетными частицами? Или внутри нет ничего интересного, что требовалось бы экранировать?


    1. PavelSX Автор
      10.11.2022 00:26
      #24899188

      Да, вы абсолютно правы, для защиты от радиации используются довольно толстые экраны, но в данном приборе микроэлектроника уже с такой защитой + он сам закрыт слоем металла, и дополнительное экранирование от кронштейна просто излишне


  1. serafims
    09.11.2022 22:58
    #24898918
    +1

    Вопрос надёжности - когда возникающие концентраторы напряжений разрушают какую-то подпорку, насколько жизнеспособной остаётся деталь? В плане отвода тепла и т. д. В обычной детали есть некий запас все-таки.


    1. serafims
      09.11.2022 22:59
      #24898920
      +1

      проводилось ли виртуальное испытание при разрушении каждой подпорку и повторение нагрузок?


      1. PavelSX Автор
        10.11.2022 00:31
        #24899218

        Отличный вопрос, такое происходит при цикличных длительных нагружениях. В нашем случае на орбите почти никаких нагрузок нет. Нагрузки возникают при выводе на орбиту, и длятся порядка 10 минут.

        Концентраторы, указанные на картинках, не имеют ничего общего с реальностью, это косяки сетки и острых углов, которых не будет после обработки кромок.

        Любой опытный прочнист понимает, что запредельные напряжения в одном из элементов сетки можно не брать во внимание при отсутствии этих же напряжений в соседних


        1. Gryphon88
          10.11.2022 01:45
          #24899390

          Можете в следующих публикациях рассказать, как проходят испытания «в железе»? Что и как нужно проверить, что полностью можно заменить симуляциями, что изменилось с 60х, про которые довольно много написано, на чье базе проводите испытания.


          1. PavelSX Автор
            10.11.2022 11:38
            #24900502

            Конечно, обязательно расскажем


    1. PavelSX Автор
      10.11.2022 00:35
      #24899234

      По запасам хотел бы прояснить момент. При расчете мы нагружаем деталь реальными нагрузками от ракеты умноженными на коэффициент безопасности.

      Коэффициент безопасности по разным видам нагружения варьируется от 1,5 до 2

      По результатам расчета мы смотрим чтобы внутренние напряжения составляли не более половины от предела текучести материала

      Таким образом итоговые коэффициенты запаса получаются от 3 до 4


  1. Gemerus
    10.11.2022 00:05
    #24899118
    +1

    Возможно глупый вопрос, но, почему эта деталь не может быть изловлена из пластика, или скажем, фторопласта? Она вроде-как не несет никаких нагрузок, кроме массы самих гироскопов.


    1. PavelSX Автор
      10.11.2022 00:49
      #24899272
      +1

      Не глупый вопрос, довольно много деталей на нашем спутнике изготовлены из полиамида или фторопласта.

      Общая масса гироскопов порядка 4кг а ударные расчетные нагрузки составляют порядка 150g. Фторопласт попросту не выдержит, или же будет слишком много весить, да и теплопроводность у него хромает

      Мы часто используем фторопласт для креплений легких деталей не выделяющих тепло таких как кронштейны для разъемов например или защитных крышек


      1. PTM
        10.11.2022 10:11
        #24900086
        +1

        странно что фторопласт, тк он течет под нагрузкой)


        1. PavelSX Автор
          10.11.2022 11:39
          #24900510

          фторопласт и без нагрузки течет, и довольно сильно.

          но есть места где это не столь важно


  1. crabgaze
    10.11.2022 00:36
    #24899236
    +3

    чересчур оптимизированные системы и конструкции в ответственных областях плохи тем, что они оптимизированы исключительно под воздействия предполагаемые проектировщиком. при внештатных сценариях легко появляются нагрузки и воздействия, которых никто не предполагал, и в выигрыше тут окажется уже менее оптимизированная система, где элементы взяты с запасом и не удалено все лишнее. это ни в коем случае не критика оптимизации, просто работая в строительстве регулярно наблюдаю как очень продуманные конструкции оказываются бессильны против условного Ивана, который решил их использовать иначе, забыв предупредить проектировщиков.


    1. PavelSX Автор
      10.11.2022 00:44
      #24899260

      Конечно, во время моделирования нагрузок мы не учитываем довольно большое кол-во мелких факторов, так или иначе влияющих на итоговые нагрузки. И при самом плохом раскладе они могут наложиться по принципу суперпозиции и превысить значение расчетной нагрузки.

      Так как отрасль очень консервативна и почти не дает права на ошибку, то есть довольно много документации в открытом доступе по величинам реальных нагрузок от ракеты по всем типам.

      Расскажу как с этим предлагают бороться российские госты и ECSS(The European Cooperation for Space Standardization)

      И в тех и в других прописаны довольно конкретные коэффициенты запаса для каждого вида нагружения (квазистатические нагрузки, случайная вибрация, акустическое воздействие, ударные нагрузки, тепловое расширение) и составляют от 1,5 до 2.

      Мы же в свою очередь нагружаем деталь повышенными нагрузками и смотрим чтобы итоговые нагрузки не превышали половину от предела текучести материала. Тем самым получая коэффициент безопасности от 3 до 4


  1. wormball
    10.11.2022 01:28
    #24899362
    +2

    > на примере кронштейна для гироскопов космического аппарата

    вспоминается классика
    Спутник мчится по орбите
    С перигея в апогей.
    В нём кронштейн висит прибитый —
    Первый в космосе еврей!


  1. yupych
    10.11.2022 12:14
    #24900644

    Можно пойти еще дальше и в качестве несущих конструкций использовать корпуса гироскопов. Чтобы они давали не только нагрузки, но и жесткость. И уж если по полной гоняться за оптимальностью по какому-то из параметров, то стоит посмотреть на изготовление комплексного агрегата с 4 гироскопами на одном шасси. Это будет и легче, и надежнее, и компактнее.


  1. lucius
    10.11.2022 12:29
    #24900728

    Спасибо, было очень интересно прочитать. Однако у меня вопрос (возможно глупый): так как нужно эффективно отводить от спутника тепло, то можно ли повредить спутник, нагрев его из лазера с земли? Или дальность не позволит?