空间结构节点的拓扑优化与增材制造

作者:陈敏超;赵阳;谢亿民; 刊名:土木工程学报 上传者:梁艳

【摘要】在简要介绍连续体结构拓扑优化的数学描述和数值算法的基础上,建立一空间结构节点模型,利用优化软件OptiStruct对节点进行单工况和多工况下的拓扑优化设计。详细讨论了棋盘格控制、SIMP法密度插值惩罚系数等参数设置以及对称约束、成员尺寸约束等工艺制造约束对优化结果的影响。经多次尝试比较得到受力合理、外观简洁且具有设计美感的优化节点模型,并利用熔融沉积制造技术完成采用聚乳酸材料的节点打印。文中进一步讨论了实际工程中利用增材制造(3D打印)技术对优化模型进行制造成型的可行性。目前易于实现的途径是将增材制造和传统制造工艺结合起来,如利用3D打印制作复杂铸钢节点的模具、3D打印蜡模进行失蜡铸造等。

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第 52 卷第 2 期 土 木 工 程 学 报 Vol. 52 No. 2 2019 年 2 月 CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL Feb. 2019 空间结构节点的拓扑优化与增材制造 陈敏超 1 赵 阳 1 谢亿民 2 (1.浙江大学,浙江杭州 310058;2.皇家墨尔本理工大学,澳大利亚维多利亚 3001) 摘要:在简要介绍连续体结构拓扑优化的数学描述和数值算法的基础上,建立一空间结构节点模型,利用优化软件 OptiStruct 对节点进行单工况和多工况下的拓扑优化设计。详细讨论了棋盘格控制、SIMP 法密度插值惩罚系数等参数设置以及对称约束、成员尺寸约束等工艺制造约束对优化结果的影响。经多次尝试比较得到受力合理、外观简洁且具有设计美感的优化节点模型,并利用熔融沉积制造技术完成采用聚乳酸材料的节点打印。文中进一步讨论了实际工程中利用增材制造(3D 打印)技术对优化模型进行制造成型的可行性。目前易于实现的途径是将增材制造和传统制造工艺结合起来,如利用 3D 打印制作复杂铸钢节点的模具、3D 打印蜡模进行失蜡铸造等。 关键词:空间结构;节点;拓扑优化;增材制造;变密度法 中图分类号:TU393.3 文献标识码:A 文章编号:1000-131X(2019)02-0001-10 Topology optimization and additive manufacturing of nodes in spatial structures Chen Minchao1 Zhao Yang1 Xie Yimin 2 (1. Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. RMIT University, Victoria 3001, Australia) Abstract: Based on the brief introduction to the mathematical description and numerical algorithms of continuum structural topology optimization, a node model in spatial structure is built and topology optimization design under single and multiple load cases is carried out by using the optimization software OptiStruct. The influences of the checkerboard control and the penalty factor of SIMP density interpolation, as well as the manufacturing constraints including the symmetry constraint and the member size constraints on the optimization results are discussed in detail. After several trials and adjustments, an optimized node with reasonable load-bearing behavior, concise appearance and design aesthetics is obtained.

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