DOI: https://doi.org/10.22281/2413-9920-2026-12-02-99-110

УДК 621.86/.87

Гнездилов С.Г.
Топологическая оптимизация деталей с проушинами: двухэтапный метод и оценка способов моделирования граничных условий
Топологическая оптимизация деталей с проушинами часто приводит к некорректным результатам из-за упрощенного задания граничных условий, таких как жесткая фиксация или точечное приложение нагрузки, что не соответствует реальному характеру контактного взаимодействия. Целью данного исследования является разработка и апробация методики, обеспечивающей повышение точности и вычислительной эффективности моделирования проушин в задачах топологической оптимизации. На основе сравнительного анализа инструментов ANSYS Workbench (Bearing Load, Remote Displacement, контактные задачи) доказано, что применение распределенной нагрузки типа Bearing Load позволяет приблизить результаты линейного анализа к эталонным нелинейным контактным решениям. Предложен двухэтапный метод оптимизации, в котором на первом этапе определяются реакции в связях, а на втором — они заменяются эквивалентными силами, что позволяет свести нелинейную задачу к линейной без существенной потери точности. Метод валидирован на примерах оптимизации звена манипулятора и механической детали с несколькими проушинами. Результаты демонстрируют высокую чувствительность итоговой топологии к способу моделирования нагружения и подтверждают практическую эффективность предложенного подхода для инженерных расчетов, позволяя учитывать множество расчетных случаев при умеренных вычислительных затратах.
Ключевые слова: топологическая оптимизация, проушины, конечно-элементный анализ.

Gnezdilov S.G.
Topology optimization of parts with lugs: a two-stage method and evaluation of boundary condition modeling techniques
Topological optimization of parts with lugs often yields incorrect results due to the simplified assignment of boundary conditions, such as rigid fixation or point load application, which does not correspond to the actual nature of contact interaction. The aim of this study is to develop and test a methodology that improves the accuracy and computational efficiency of modeling lugs in topology optimization problems. Based on a comparative analysis of ANSYS Workbench tools (Bear-ing Load, Remote Displacement, contact problems), it is proven that applying a distributed load of the Bearing Load type allows linear analysis results to approximate reference nonlinear contact solutions. A two-stage optimization method is proposed, wherein the first stage determines reactions in the supports, and the second stage replaces them with equivalent forces, enabling the reduction of a nonlinear problem to a linear one without significant loss of accuracy. The method is validated using examples of optimizing a manipulator link and a mechanical part with multiple lugs. The results demonstrate the high sensitivity of the final topology to the load modeling approach and confirm the practical effectiveness of the proposed method for engineering analysis, allowing for the consideration of multiple load cases with moderate computational costs.
Key words: topology optimization, lugs, finite element analysis.

Скачать статью (файл pdf) — Download (pdf)

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-ShareAlike» («Атрибуция — На тех же условиях») 4.0 Всемирная.