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連續(xù)纖維角度拓撲優(yōu)化在聚合物沉積增材制造中的應用

科研前沿
2021
06/01
13:42
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供稿人:鄭子琪,、田小永 供稿單位:機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

聚合物沉積增材制造(AM)方法打印出的零件的力學性能取決于打印方向,特別是在聚合物中加入短纖維增強材料時,。這一特性為纖維增強復合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種獨特的設(shè)計思路,,即把AM的打印路徑定義在纖維方向上,以最大限度利用纖維的增強剛度,。美國貝勒大學研究團隊提出了一種連續(xù)纖維角度優(yōu)化(CFAO)的拓撲優(yōu)化方法,,該方法計算了使用增材制造的纖維增強結(jié)構(gòu)的最佳材料分布與材料方向分布,并采用靈敏度濾波器來減小棋盤格效應,,使靜載結(jié)構(gòu)的柔度達到最小,。

該團隊將傳統(tǒng)的固體正交各向同性材料懲罰(SIMP)拓撲優(yōu)化擴展到固體正交各向異性材料懲罰(SOMP)拓撲優(yōu)化中,即在每個離散的有限元單元中采用復合材料的各向異性材料模型,,并施加一個懲罰參數(shù)來驅(qū)動離散的密度0-1布局,。在優(yōu)化過程中,SOMP算法同時將結(jié)構(gòu)密度和纖維角度作為設(shè)計變量,。從而實現(xiàn)具有定向微結(jié)構(gòu)的AM結(jié)構(gòu)的材料分布和材料取向最優(yōu)分布,,如圖1所示。同時將該方法應用于三維,,說明了該方法的適應性,,如圖2所示。

圖1 MBB梁的CFAO密度和纖維角度優(yōu)化結(jié)果
圖2 三維CFAO拓撲優(yōu)化實例
為了進一步證明CFAO方法的有效性,,將拓撲優(yōu)化后的元素密度轉(zhuǎn)換為STL文件格式,,并平滑結(jié)構(gòu)的邊緣,然后采用輪廓平行沉積策略生成打印路徑,,以保證打印路徑于結(jié)構(gòu)邊緣平行,。采用PLA和短纖維增強材料,,對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行打印制造與三點彎曲試驗驗證,,試驗結(jié)果表明,CFAO優(yōu)化后的MBB梁比纖維角度優(yōu)化結(jié)果的結(jié)構(gòu)剛度高29.9%,,比纖維角度優(yōu)化結(jié)果的結(jié)構(gòu)剛度高12.4%,。

圖3 CFAO優(yōu)化后的MBB梁打印路徑和試驗測試
參考文獻:
Hajimirzaee S, Doyle A M. 3D printed catalytic converters with enhanced activity for low-temperature methane oxidation in dual-fuel engines[J]. Fuel, 2020,274:117848.


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