CC BY
4
ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ БАЛКИ ОСИ X ПРИНТЕРА HERCULES И.С. Юлусов, магистрант
Новосибирский государственный технический университет (Россия, г. Новосибирск)
DOI:10.24412/2500-1000-2023-6-3-172-176
Аннотация. В данной статье представлено углубленное исследование прочности и топологической оптимизации системы балки 3D-принтера Hercules. Исследование сосредоточено на повышении структурной целостности и производительности балки - важнейшего компонента, обеспечивающего процесс печати. Используя передовые вычислительные методы, включая анализ методом конечных элементов (FEA) и алгоритмы топологической оптимизации, инженеры стремятся оптимизировать конструкцию, что приведет к повышению эффективности и надежности печати. В статье изучается значение расчета прочности, позволяющего выявить концентрации напряжений, слабые места и потенциальные зоны разрушения в системе балки 3D-принтера Hercules. Кроме того, исследуется концепция топологической оптимизации, направленная на поиск оптимального распределения материала внутри балки, баланса между прочностью и снижением веса для достижения превосходной производительности.
Ключевые слова: 3D-принтеры, балка оси X 3D-принтера, топологическая оптимизация, оптимизация геометрии.
Система балки оси Х играет ключевую роль в обеспечении стабильности, точности и надежности в процессе печати. Методы оптимизации прочности и топологии предлагают перспективные способы повышения структурной целостности, снижения веса и улучшения общих характеристик балки 3D-принтера Hercules. Используя передовые вычислительные ин-
струменты и методики, инженеры могут проанализировать и оптимизировать конструкцию прутка, что приведет к повышению эффективности и улучшению качества печати.
Перейдем к геометрической оптимизации геометрии балки [2]. Генерируем модель в модуль Ansys Workbench (рис. 1).
Рис.1. 3Б-модель балки
После того как деталь полностью нагружена и закреплена, мы получаем
окончательно сформированную модель, готовую к расчетам (рис. 2) [3].
Рис.2. Расчетная модель
Теперь, имея полностью нагруженную и закрепленную модель, мы можем приступить к расчетам. Перед началом расчета необходимо настроить параметры для рас-
чета детали. После завершения расчета модели мы получаем результаты. На рисунке 3 показано поле распределения деформации.
Рис. 3. Поле распределения деформаций балки
Затем выбираем критерий, который будет использоваться для оптимизации, выбирая критерий массы в диапазоне от 25% до 50%. Затем соединяем все отделенные
части на вкладке "Geometry" [4]. Полученная деталь после топологической оптимизации представлена на рисунке 4.
Рис. 4. Полученная 3Б-модель
Далее мы проводим расчеты для данной конструкции, используя три различных материала: легированную сталь 40X, конструкционную сталь Ст3сп и алюминие-
вый сплав АМг3. Мы начинаем с расчета свойств материала АМг3-.
После того, как деталь полностью загружена и закреплена, у нас есть готовая модель для расчетов (рис. 5) [5].
Рис. 5. Расчетная модель
Также произведем расчет двух конструкций балок: проведя вручную изменения в геометрии и не внося изменения в
геометрию. Данные модели показаны на рисунке 6.
Рис. 6. 3.0-модедь балки
Полученные расчеты отразим в таблице 1.
Таблица 1. Полученные расчеты
№ Модель балки Поле распределение деформации, мм Поле распределения эквивалентных деформаций, МПа Поле распределения упругих эквивалентных деформаций, МПа КЗСП балки
Отсутствует вмешательство в геометрию
1 АМг3 0,068012 0,00027622 18,078 6,638
2 Сталь СтЗсп 0,04674 0,00015464 28,69 8,7137
3 Сталь 40х 0,045573 0,00014865 28,962 12,085
Ручное изменение геометрии
4 АМгЗ 0,058752 0,00023492 15,891 7,5517
5 Сталь СтЗсп 0,040202 0,00014012 26,469 9,445
6 Сталь 40х 0,042915 0,00014021 27,015 12,956
Изменение геометрии с помощью модуля «Topological optimization» в Ansys Workbench
7 АМгЗ 0,061741 0,00026015 18,059 6,645
8 Сталь СтЗсп 0,04223 0,00015028 29,372 8,5114
9 Сталь 40х 0,041181 0,00014465 29,686 11,79
Проанализировав данную таблицу можно сделать вывод о том, что рационально использовать конструкцию балки после ручного изменения геометрии из материала сталь СтЗсп.
Библиографический список
1. 3D принтер Hercules G4 DUO. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://3dtool.ru/product/3d_printer_hercules_g4_duo/ (дата обращения: 19.05.2023).
2. Скиба В.Ю. Системы компьютерной поддержки инженерных решений: электронный учебно-методический комплекс - Новосибирск: НГТУ, 2017. - [Электронный ресурс]. -Режим доступа: https://elibrary.nstu.ru/source?bib_id=vtls000233947, свободный (дата обра-щения:19.05.2023).
3. Басов К.А. ANSYS для конструкторов. - М.: ДМК Пресс, 2009. - 248 с.
4. Жидков А.В. Применение системы ANSYS к решению задач геометрического и конечно-элементного моделирования. Учебно-методический материал. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2006. - 115 с.
5. Котов А.Г. Основы моделирования в среде ANSYS. Учеб. пособие. - Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2008. - 200 с.
TOPOLOGICAL OPTIMIZATION OF THE BEAM X-AXIS PRINTER HERCULES
I.S. Yulusov, Graduate Student Novosibirsk State Technical University (Russia, Novosibirsk)
Abstract. This paper presents an in-depth study of the strength and topological optimization of the Hercules 3D printer beam system. The study focuses on improving the structural integrity and performance of the beam, a critical component that enables the printing process. Using advanced computational techniques, including finite element analysis (FEA) and topological optimization algorithms, engineers aim to optimize the design, leading to improved printing efficiency and reliability. This article explores the value of strength calculations to identify stress concentrations, weaknesses and potential failure zones in the Hercules 3D printer beam system. In addition, the concept of topological optimization is explored to find the optimal material distribution within the beam, balancing strength and weight reduct ion to achieve superior performance.
Keywords: 3D printers, 3D printer X-axis beam, topological optimization, geometry optimization.
