DOI: https://doi.org/10.22281/2413-9920-2025-11-02-124-134

УДК 621.86/.87

Гнездилов С.Г.
Топологическая оптимизация конструкции грузового захвата с применением принципа минимума затрат усилий
Статья предлагает подход к топологической оптимизации грузового захвата для перемещения стального листового проката на основе принципа минимума затрат усилий. Цель — повысить жесткость и надежность конструкции с одновременным снижением массы. Объект оптимизации — левый рычаг захвата со сложным нагружением. Предложена методика упрощения расчетных схем путем исключения неизвестных внешних сил через рациональное наложение связей, что снижает трудоемкость вычислений и риск ошибок. Моделирование выполнено в среде TopOpt-2D. Рассмотрены два предельных случая: с минимальным и максимальным трением в зоне контакта башмака с грузом. Разработаны расчетные схемы с граничными условиями, учитывающими нагружение рычага, и проведена оптимизация с долей объема материала 10%. Результаты показали необходимость введения пассивных зон и корректировки ключевых точек (например, смещение крепления тяги вправо), что сократило длину тяги и улучшило распределение материала. Сравнительный анализ выявил, что оптимизированный рычаг снижает напряжения в десятки раз, а максимальные горизонтальные перемещения — более чем в 30 раз, повышая жесткость и надежность. Отмечена важность учета различных рабочих нагрузок (например, при кантовании) для дальнейшего улучшения конструкции. Практика подтвердила эффективность алгоритма, упрощающего моделирование, и необходимость итеративного уточнения схем для оптимальной топологии. Результаты применимы при проектировании аналогичных устройств, требующих баланса массы, жесткости и надежности.
Ключевые слова: топологическая оптимизация, грузовой захват, принцип минимума затрат усилий, конечно-элементный анализ, минимизация податливости..

Gnezdilov S.G.
Topology optimization of a cargo gripper design using the minimum effort principle
The article presents an approach to the topology optimization of a cargo gripper design for handling steel sheet products, employing the minimum effort principle. The primary goal of the research is to enhance the stiffness and reliability of the structure while reducing its mass. The left gripper arm, subjected to complex loading conditions, is selected as the optimization object. A methodology is proposed that simplifies computational models by eliminating unknown external forces through the rational application of constraints, thereby reducing computational complexity and minimizing the risk of errors. The TopOpt-2D environment is used for simulation. Two key cases are analyzed: negligible and significant friction at the shoe-load contact. Models with boundary conditions that reflect the lever’s loading are developed, and topology optimization is performed with a material volume fraction of 10%. The results highlight the need for introducing passive zones and adjusting key points (e.g., displacing the linkage attachment point to the right), which reduces linkage length and improves material distribution. A comparative finite element analysis of the initial and optimized designs demonstrates that the new arm configuration has the potential to reduce stress levels by tens of times and maximum horizontal displacements by over 30 times, significantly enhancing stiffness and reliability. The importance of accounting for multiple operational load combinations (e.g., during sheet tilting) for further design refinement is emphasized. The study emphasizes accounting for varied load scenarios (e.g., sheet tilting) for future refinement. It confirms the algorithm’s effectiveness in simplifying models and highlights iterative refinement for rational topology. The findings apply to similar devices requiring a balance between mass, stiffness, and operational reliability.
Key words: .