Авторы:

Руслан Абдрахимов, инженер ГК «ПЛМ Урал»

Артем Чонка, инженер ГК «ПЛМ Урал»

Введение: задача поиска баланса

При проектировании узлов крепления для транспортной техники инженеры традиционно сталкиваются с противоречием: с одной стороны, конструкция должна обладать достаточной прочностью и жесткостью, чтобы выдерживать статические и циклические нагрузки, с другой — её масса должна быть минимальной для обеспечения энергоэффективности и ресурса ходовой части. Особенно остро этот вопрос стоит для элементов крепления суперконденсаторов — устройств, которые сами по себе имеют значительный вес и при этом предъявляют высокие требования к надежности фиксации.

Специалисты Группы компаний «ПЛМ Урал» выполнили комплексный расчет кронштейнов крепления рамы суперконденсаторов. В отличие от классического подхода, ограничивающегося проверкой прочности, в данной работе была реализована сквозная методология: от построения конечно-элементной модели до автоматизированной параметрической оптимизации, позволившей найти оптимальное соотношение между массой конструкции и уровнем возникающих напряжений/

Рис. 1 — Общий вид интерфейса при постановке задачи в CAE Fidesys

Рис. 2 — Оптимизируемые толщины кронштейнов

Инструментальная база

Все расчеты выполнялись с использованием отечественного программного обеспечения. В качестве основного решателя для конечно-элементного анализа был применен CAE Fidesys 8.0 — система, позволяющая моделировать статическую и усталостную прочность конструкций на базе линейного статического анализа. Для управления процессом оптимизации, автоматизации многовариантных расчетов и построения предиктивных моделей использовалась платформа Datadvance DT SEVEN, которая обеспечила быстрое подключение к расчетному ядру и координацию всей вычислительной цепочки.

Рис. 3 — Расчетная цепочка взаимодействия ПО

Построение расчетной модели

Исходная геометрия кронштейнов была преобразована в конечно-элементную модель, насчитывающую 76 055 элементов и 80 886 узлов. Характерный размер элемента составил 5 мм, что обеспечило достаточную детализацию для зон концентрации напряжений. Для разных элементов конструкции применялись различные типы конечных элементов: основная несущая часть моделировалась оболочечными элементами, а болтовые соединения — балочными.

Особое внимание было уделено корректной передаче нагрузок. Рама суперконденсатора, являющаяся источником инерционных нагрузок, была представлена в виде сосредоточенной массы, жестко связанной с местами крепления — боковыми кронштейнами и нижними опорными швеллерами. Поскольку в реальной конструкции кронштейны соединяются с рамой кузова через гаситель колебаний, в модели Fidesys были применены пружинные соединения, что позволило адекватно учесть жесткостные свойства узла.

Рис. 4 — Общие результаты статического анализа

Прочностной анализ: выявление «узких мест»

На первом этапе был выполнен расчет статической прочности при рабочих нагрузках. Результаты представлены в виде карт распределения общих перемещений и эквивалентных напряжений (по критерию Мизеса). Эти данные позволили визуализировать деформированное состояние конструкции и локализовать зоны с максимальной концентрацией напряжений, которые при циклическом нагружении могли бы стать очагами усталостного разрушения.

Дополнительно были проведены расчеты усталостной прочности для двух характерных режимов нагружения. Сравнение картин напряженно-деформированного состояния в статике и при циклических нагрузках подтвердило, что конструкция в исходном варианте работоспособна, однако имеет резервы для оптимизации: в одних зонах наблюдался избыточный запас прочности, сопровождающийся неоправданным увеличением массы, в других — напряжения приближались к предельно допустимым значениям.

Рис. 5 — Эквивалентные напряжения при циклическом нагружении

Параметрическая оптимизация: от перебора к управляемому поиску

Для реализации этих резервов была запущена параметрическая оптимизационная задача. Толщины оболочечных элементов кронштейна и вертикальных ребер жесткости были параметризованы и приняты как варьируемые переменные. В целях демонстрации подхода и предоставления оптимизатору максимальной свободы был использован широкий диапазон изменения толщин от 1 до 15 мм, с шагом 0,5 мм. Цель оптимизации формулировалась как минимизация массы конструкции при одновременном снижении эквивалентных напряжений в рабочих режимах.

Ключевую роль в этом этапе сыграла платформа DT Seven, выступив в качестве управляющего ядра расчетной цепочки. Вместо ручного перебора сотен сочетаний параметров инженеры настроили автоматизированный процесс: DT Seven управлял запуском вариантов в Fidesys, собирал результаты и на их основе строил предиктивную модель, определяющую взаимное влияние параметров толщины на массу и напряженное состояние. Благодаря этому каждая следующая итерация не перебирала комбинации вслепую, а целенаправленно приближалась к глобальному оптимуму на основе прогноза.

Результаты: количественные и качественные выводы

Всего в рамках оптимизационного бюджета было рассчитано 76 точек из запланированных 100, что оказалось достаточно для сходимости процесса. По итогам расчетов была получена статистическая обработка параметров, которая подтвердила корректность постановки задачи:

• выявлена значительная прямая корреляция между толщинами элементов и массой конструкции;
• зафиксирована значительная обратная корреляция между массой и напряжениями — результат, соответствующий физическому смыслу и подтверждающий, что варьируемые параметры действительно влияют на целевую функцию ожидаемым образом.

Рис. 6 — Слева корреляция параметров, справа — расчетные точки и фронт Парето

Финальным итогом оптимизации стало формирование 13 Парето-оптимальных наборов параметров. На графике в координатах «масса — напряжение» эти точки образовали Парето-фронт — границу, за которой невозможно улучшить один показатель без ухудшения другого. Такой результат позволяет проектировщику осознанно выбрать вариант, исходя из приоритетов конкретного проекта: если на первый план выходит снижение металлоемкости — выбирается точка с минимальной массой при допустимых напряжениях; если критична надежность в условиях тяжелых нагрузок — предпочтение отдается варианту с минимальными напряжениями при незначительном увеличении массы.

Заключение

Выполненная работа продемонстрировала эффективность сочетания прочностного анализа в CAE Fidesys с автоматизированной параметрической оптимизацией на базе DT Seven. Такой подход позволяет не просто проверить конструкцию на прочность, но и целенаправленно улучшить её характеристики, находя оптимальный баланс между массой и надежностью.

Основная цель данной работы — снижение материальных затрат за счет облегчения конструкции без потери её эксплуатационного ресурса. Минимизация рисков преждевременного разрушения детали в процессе эксплуатации защищает от репутационных потерь и снижает будущие гарантийные обращения, одновременно делая продукт более технологичным и дешевым в производстве.

Таким образом, для заказчика внедрение предложенного подхода означает не только проверенное техническое решение, но и прямые экономические выгоды: снижение металлоемкости изделия без потери ресурса, сокращение гарантийных случаев и повышение конкурентоспособности конечной продукции. Для инженерной практики — это переход от трудоемкого ручного перебора вариантов к управляемому поиску решений с использованием предиктивного моделирования.