В останні десятиліття в аерокосмічній галузі широко застосовуються композитні конструкції, проте на початку 21 століття спостерігається стрімке їх зростання. Найбільші компанії в аерокосмічній галузі нарощують обсяги застосування композитів (КМ) у конструкціях, і на сьогоднішній день обсяги КМ сягає 50 %. Різні елементи літальних апаратів і навіть високонавантажені конструкції, такі як лонжерони, нервюри, обшивка тощо, в даний час виготовляються з композитів. В першу чергу, це пов'язано з можливістю значно знизити масу конструкції та виробничі витрати. Передові технології інженерного програмного забезпечення надають можливість вирішувати найскладніші задачі. Одним з основних напрямків досліджень композитів є оптимізація структури композита за рахунок поліпшення відносної міцності та відносної жорсткості КМ, а також підвищення ефективності виробничих процесів. Існує безліч методів оптимізації структури, але в даний час топологічна оптимізація є найбільш концептуальним і перспективним методом. Мета роботи - проаналізувати та оцінити підхід до проектування нервюр крила з симетричними шаруватими пластинами з різною орієнтацією волокон на основі топологічної оптимізації. Для цього вирішувалися наступні задачі: визначено модель топологічної оптимізації, яка базувалася на максимальній жорсткості з заданими обмеженнями обсягу; проведено оптимізацію за допомогою методу твердотільного ізотропного матеріалу з застосуванням моделі штрафних функцій (SIMP) і техніки фільтрації, в результаті чого отримано топологічні структури нервюр крила з різною орієнтацією волокон. Топологічна структура та жорсткість нервюри крила залежать від орієнтації волокон. Проведено аналіз можливого згладжування нервюр крила багатошарової композитної структури. Згладжування було реалізовано за допомогою програмного продукту ANSYS, який підтвердив антидеформувальну здатність топологічної конструкції та продемонстрував можливість розробки нервюр крила.

Вимоги, які пред'являються до елементів конструкції в аерокосмічній галузі, це міцність, жорсткість та легкість і застосування методу топологічної оптимізації при проектуванні таких конструкцій є досить ефективним. Як один із найбільш концептуальних і перспективних методів оптимізації конструкції, метод топологічної оптимізації спрямований на пошук оптимального взаємного розташування шарів за заданого навантаження та граничних умов у дозволеній області проектування. Таким чином, об'єктом вивчення є методика топологічної оптимізації авіаційних конструкцій. Мета роботи - аналіз існуючих підходів, алгоритмів, а також реалізація в прикладних задачах методу топологічної оптимізації в аерокосмічній галузі. Завдання - описати існуючі різні підходи, методи, особливості та напрямки досліджень топологічної оптимізації, а також вивчити можливість застосування в процесі виготовлення композитних конструкцій. У ході дослідження отримано наступні результати. Пояснено та порівняно методи оптимізації, та обговорено переваги та обмеження кожного підходу. Розглянуто та проаналізовано різні способи одночасної оптимізації орієнтації волокна та структурної топології. Описано можливість одночасної багатомасштабної топологічної оптимізації. Розглянуто поєднання топологічної оптимізації та адитивного виробництва, топологічну оптимізацію композитної конструкції, яку вирішено в різних джерелах, і вказано на потенційні області дослідження, що вимагають додаткових досліджень. Запропоновано комплексний огляд топологічної оптимізації спроектованої композитної конструкції. Перспективним напрямком є поєднання топологічної оптимізації з методами адитивного виробництва. Однак, у разі, більш складних завдань, таких як стійкість і власна частота, запропоновані методи можуть бути неспроможними. Отже, топологічна оптимізація композитних конструкцій за умови складного навантаження є основним завданням у майбутньому. Це може бути новою тенденцією в проектуванні топологічних композитних конструкцій.