拓扑~一种基于双轴纤维布局的连续纤维增强聚合物结构的各向异性拓扑优化设计

文摘   2025-01-22 21:03   江苏  



摘要


纤维放置技术允许制造具有负荷适应纤维取向的复杂形状的复合部件。对于相应结构的设计,建立了拓扑优化系统。然而,各向异性拓扑优化方法往往局限于单向光纤方向。在桁架状拓扑优化结构中,单个桁架之间的交叉口受到多轴应力状态的影响。对于这些材料,单向纤维取向是不合适的,也可能不适合制造。在这项工作中,我们提出了一个拓扑优化程序,允许单向,也双轴光纤方向。单向和双轴光纤布局的选择是基于有限元内的应力状态。对于双轴光纤布局,第一纤维角度与最大绝对主应力方向对齐,而第二个纤维方向采用复合网理论计算。结果表明,考虑双轴纤维取向,光纤放置技术可以更好地制造光纤取向,适合于制造耐受放置路径的自动推导。此外,改善了交叉口处的应力状态,降低了光纤间失效的概率。此外,与纯单向拓扑优化相比,考虑双轴纤维取向可以增加恒定重量下的刚度。


研究亮点



结论


本文提出了一种基于有限元内应力状态的第二种光纤取向的各向异性BESO算法。通过将主层的纤维方向与绝对最大主应力方向对齐来进行优化,而第二层仅在多轴应力状态区域被激活,利用复合网理论优化该区域的第二纤维方向。结果表明,在拓扑优化过程中,增加双轴光纤取向,与拓扑优化相比,这些区域的光纤取向分布更适合于连续光纤,如TFP或WFP的光纤放置过程。因此,在今后的工作中,该算法可能特别适合于通过改进的交点设计自动获得制造容忍的放置路径。此外,该方法可以扩展到多负载情况问题。通过选择元件中张力比的阈值,可以使用所述算法控制要添加的第二纤维取向的材料的量。所提出的拓扑优化方法还可以改善交点处的应力分布,从而降低了光纤间失效的概率。此外,与纯单向优化结果相比,该算法可以获得更高的结构刚度。

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拓扑优化 创新设计
拓扑优化是一种工程设计方法,通过重新排列材料的形状和位置,来实现结构更轻、更强、更稳定的目的。这种方法可以减少材料使用,提高结构性能,广泛应用于航空航天、汽车和建筑设计等领域。
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