Проект направлен на решение фундаментальной инженерной задачи повышения эффективности вычислительного моделирования при проектировании сложных анизогридных (сетчатых) оболочечных конструкций, применяемых в ракетно-космической технике. В фокусе проекта — разработка, программная реализация и сравнительный анализ двух альтернативных методик параметрического конечно-элементного моделирования в среде ANSYS Mechanical APDL: последовательного построения семейств рёбер и метода тиражирования повторяющегося структурного элемента. Мы стремимся заменить интуитивный и ресурсоёмкий подход к созданию расчётных моделей на научно обоснованную, верифицированную методику, позволяющую минимизировать затраты машинного времени и оперативной памяти при сохранении требуемой точности расчётов, что критически важно для оперативного проектирования крупногабаритных трансформируемых космических конструкций.

Актуальность
Современное развитие ракетно-космической техники характеризуется возрастающими требованиями к массогабаритным характеристикам и надёжности развёртываемых конструкций — антенн, рефлекторов, солнечных батарей и ферменных систем. Анизогридные (сетчатые) оболочки, обладающие уникальным сочетанием высокой жёсткости, прочности и минимальной массы, являются одним из наиболее перспективных классов конструкций для решения этих задач. Однако их проектирование сопряжено со значительными вычислительными трудностями. Геометрическая сложность регулярной ребристой структуры требует построения конечно-элементных моделей высокой размерности, а необходимость исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС) при варьировании множества параметров (углы наклона рёбер, их количество, толщина, наличие вырезов и зон трансформации) делает процесс многовариантных расчётов крайне трудоёмким. Классический подход к построению КЭ-модели, основанный на последовательном ручном создании каждого ребра или группы рёбер, приводит к неоправданно высоким затратам времени инженера-расчётчика и вычислительных ресурсов, что сдерживает темпы проектирования и ограничивает глубину параметрических исследований. Таким образом, разработка и сравнительный анализ эффективных методик параметрического моделирования, автоматизирующих построение сетчатых структур и минимизирующих вычислительные затраты, является критически важной научно-технической задачей, обеспечивающей ускорение и повышение качества проектирования перспективных космических конструкций.

Цель проекта
Разработка, программная реализация в среде ANSYS Mechanical APDL и экспериментальный сравнительный анализ вычислительной эффективности двух методик параметрического конечно-элементного моделирования анизогридных оболочечных конструкций (цельных и трансформируемых) для обоснованного выбора оптимального подхода, минимизирующего затраты машинного времени и оперативной памяти при сохранении требуемой точности расчётов НДС.

Задачи проекта

1. Провести аналитический обзор и систематизацию подходов: изучить существующие методы геометрического и конечно-элементного моделирования анизогридных структур, формализовать два альтернативных подхода к параметрическому построению: 1) метод последовательного формирования семейств спиральных и кольцевых рёбер по аналитическим зависимостям; 2) метод выделения типового повторяющегося структурного элемента (ячейки периодичности) с последующим его тиражированием (массивированием) вдоль заданных направлений.
2. Разработать параметрические макросы на языке APDL: создать библиотеку скриптов, автоматизирующих построение конечно-элементных моделей анизогридных оболочек для обоих подходов. Обеспечить возможность варьирования ключевыми параметрами: количеством спиральных рёбер (в диапазоне 30–90 пар), углами их наклона, геометрическими размерами оболочки, типом конечных элементов, характеристиками материала.
3. Реализовать моделирование трансформируемых конструкций: дополнить разработанные макросы возможностью создания моделей с зонами трансформации (вертикальными вырезами, имитирующими этапы складывания и раскрытия конструкции), обеспечив корректное построение сетки в областях геометрических неоднородностей.
4. Провести серию вычислительных экспериментов: выполнить построение и расчёт НДС (при кручении как характерном виде нагружения) для серии моделей с различной плотностью ребристой структуры, используя оба подхода. Обеспечить воспроизводимость условий эксперимента (тип конечных элементов, граничные условия, шаг нагружения).
5. Выполнить сравнительный анализ вычислительной эффективности: количественно оценить затраты машинного времени на генерацию сетки и решение задачи, а также объёмы используемой оперативной памяти для каждого подхода при различных уровнях детализации модели. Построить графики зависимостей вычислительных затрат от сложности модели.
6. Создать верифицированную модель трансформируемой конструкции: с использованием оптимального (наименее ресурсоёмкого) подхода построить конечно-элементную модель анизогридной оболочки с вертикальными вырезами, провести анализ её напряжённо-деформированного состояния при эксплуатационной нагрузке и оценить прочностную надёжность (коэффициенты запаса прочности).
7. Подготовить научную публикацию и отчётную документацию: обобщить разработанные методики и полученные результаты в виде статьи в рецензируемом научном издании, подготовить сравнительный отчёт с рекомендациями по выбору подхода моделирования в зависимости от решаемых задач.

Ключевыми направлениями деятельности проекта являются:

• Параметрическое геометрическое моделирование: Разработка алгоритмов и макросов для автоматической генерации сложных ребристых структур по заданным параметрам, формализация геометрических зависимостей.
• Конечно-элементное моделирование (ANSYS APDL): Создание расчётных сеток на сгенерированной геометрии, задание граничных условий, приложение нагрузок, настройка решателя, проведение статического и (при необходимости) модального анализа.
• Вычислительный эксперимент и сравнительный анализ: Планирование серии расчётов, сбор метрик производительности (время генерации, время решения, пиковое использование RAM), статистическая обработка результатов, построение аппроксимирующих зависимостей.
• Верификация и валидация: Проверка корректности построения моделей (отсутствие геометрических искажений, дублирующихся элементов), сравнение результатов расчётов для разных подходов при идентичных параметрах для подтверждения эквивалентности.
• Научная коммуникация: Подготовка материалов для публикации, представление результатов на научных семинарах и конференциях.

Реализация проекта позволит:

• Сократить время построения конечно-элементных моделей анизогридных конструкций с нескольких часов/дней до минут за счёт полной автоматизации процесса параметрическими макросами.
• Минимизировать затраты вычислительных ресурсов (машинного времени и оперативной памяти) при проведении многовариантных расчётов, что особенно важно при оптимизационных исследованиях и параметрическом анализе.
• Обеспечить возможность оперативного перепроектирования: изменение ключевых параметров (количество рёбер, углы, толщина) не требует перестроения модели вручную, достаточно изменить входные переменные макроса.
• Повысить точность и надёжность расчётов за счёт исключения «человеческого фактора» при многократном построении однотипных геометрических элементов.
• Создать научно-методическую базу для дальнейших исследований в области оптимизации сетчатых конструкций, включая задачи топологической оптимизации и учёта нелинейного поведения материалов.

Ожидаемые результаты и коммерческие перспективы
Основным результатом станет научно обоснованная и экспериментально подтверждённая методика параметрического моделирования анизогридных оболочек, реализованная в виде готового программного инструментария, включающего:

• Библиотеку параметрических макросов (скриптов) на языке ANSYS APDL для автоматизированного построения цельных и трансформируемых сетчатых конструкций (исходный код с комментариями).
• Сравнительный аналитический отчёт, содержащий количественную оценку вычислительной эффективности двух подходов, графики зависимостей времени расчёта от сложности модели (количества рёбер), а также обоснованные рекомендации по выбору метода моделирования в зависимости от задач проектировщика.
• Верифицированную конечно-элементную модель трансформируемой анизогридной оболочки (в формате ANSYS), готовую к использованию для прочностного анализа в конкретных инженерных расчётах.
• Научную публикацию в рецензируемом журнале (или сборнике трудов конференции), обобщающую разработанную методику и полученные результаты.

Научная и прикладная значимость:

• Научная новизна: Впервые будет проведено строгое количественное сравнение вычислительной эффективности двух принципиально различных подходов к моделированию анизогридных структур в среде ANSYS APDL с получением регрессионных зависимостей времени расчёта от параметров модели.
• Практическая ценность: Разработанные макросы могут быть непосредственно использованы инженерами-расчётниками ракетно-космической отрасли и машиностроительных предприятий для ускорения проектирования сетчатых конструкций.
• Образовательный эффект: Материалы проекта (методика, макросы, отчёт) могут быть интегрированы в учебные курсы по дисциплинам «Компьютерный инжиниринг», «Прочность летательных аппаратов», «Метод конечных элементов» для магистрантов и аспирантов соответствующих направлений подготовки.

Коммерческие и стратегические перспективы:

• Коммерциализация: Библиотека макросов может быть предложена в качестве специализированного инструментария проектным организациям аэрокосмического профиля (АО «Информационные спутниковые системы», АО «ЦНИИмаш», предприятия Госкорпорации «Роскосмос»), а также компаниям, разрабатывающим крупногабаритные трансформируемые конструкции.
• Импортозамещение в расчётной практике: Разработка собственных эффективных методик моделирования снижает зависимость от зарубежных закрытых коммерческих решений и ноу-хау.
• Развитие компетенций: Участие в проекте позволяет сформировать у исполнителей уникальные компетенции на стыке программирования, численных методов и механики деформируемого твёрдого тела, востребованные в высокотехнологичных отраслях промышленности.
• Стратегический эффект: Вклад в обеспечение технологического суверенитета в области проектирования перспективных космических аппаратов за счёт создания собственного научно-методического и программного инструментария.

На страницу проекта