Заказчик: не указан
Инструмент: IOSO NM + ANSYS
Демонстрационный кейс: Sigma Technology / IOSO NM «Оптимизация диска турбины с использованием IOSO и ANSYS» / «Turbine Disk Optimization Using IOSO and ANSYS Technology»
Отрасль
Авиационное двигателестроение. Проектирование деталей горячего тракта газотурбинного двигателя.
Задача
Минимизировать массу диска турбины при соблюдении ограничений по уровню механических напряжений в конструкции.
Параметры задачи:
- Переменные: геометрия диска турбины (12 независимых параметров)
- Критерий оптимизации: минимизация массы диска
- Ограничения: уровень напряжений (не должен превышать допустимые значения)
- Расчётный код: ANSYS (прочностной анализ методом конечных элементов)
Исходные ограничения и сложности
- Задача относится к классу нелинейных многопараметрических задач с ограничениями по прочности
- Каждый расчётный прогон в ANSYS включает три последовательных этапа: построение геометрии диска, генерацию расчётной сетки и прочностной анализ — что делает каждую итерацию вычислительно затратной
- Необходимо одновременно улучшать несколько компонентов тензора напряжений (σr, σt, интенсивность напряжений mizes) при снижении массы, то есть задача фактически многокритериальная
Подход и решение
Использована связка IOSO NM + ANSYS. IOSO управляет процессом оптимизации: на каждой итерации передаёт в ANSYS вектор геометрических параметров диска, получает результаты прочностного расчёта (масса, компоненты напряжений), обновляет аппроксимационную модель (поверхность отклика) и формирует следующий вектор переменных.
Алгоритм IOSO включает четыре внутренних этапа: задание вектора переменных → алгоритм оптимизации → стратегия перемещения в пространстве поиска → построение аппроксимационной функции. Это позволяет эффективно работать в условиях нелинейного отклика и нескольких конкурирующих критериев.
Всего выполнено 400 итераций расчёта.
Результаты
В ходе оптимизации масса диска снижена с исходных 12,64 кг до 12,07 кг — снижение составило 4,5%.
При этом напряжения оставались в допустимых пределах:
| Параметр | Исходное состояние | Оптимизированное |
|---|---|---|
| Масса | 12,64 кг | 12,07 кг |
| σr (радиальное напряжение) | 91,48 кг/мм² | 87,77 кг/мм² |
| σt (тангенциальное напряжение) | 87,80 кг/мм² | 90,88 кг/мм² |
Построены кривые сходимости по массе и всем компонентам напряжений, демонстрирующие устойчивое улучшение на протяжении 400 итераций.
Ценность для заказчика
- Снижение массы ответственной детали горячего тракта на 4,5% без нарушения прочностных ограничений — прямая экономия на материале и снижение нагрузки на подшипники и смежные элементы конструкции
- Полная автоматизация оптимизационного цикла: инженер формулирует задачу, остальное делает IOSO совместно с ANSYS без ручного вмешательства в каждую итерацию
- Наглядная визуализация результатов: кривые сходимости, фронт Парето и распределение напряжений по сечению диска позволяют инженеру осознанно выбирать компромиссное решение, а не принимать на веру «лучшую точку»
- Подход масштабируется на любые детали, рассчитываемые в ANSYS, без изменения расчётной модели
