Алгоритм топологической оптимизации конструкции, выполненной из анизотропного материала с учетом параметров ориентации армирования
Автор: Федулов Б.Н., Федоренко А.Н., Антонов Ф.К., Ломакин Е.В.
Статья в выпуске: 3, 2021 года.
Бесплатный доступ
Современные методы проектирования включают в себя разнообразные подходы к оптимизации конструкции. Одним из хорошо себя зарекомендовавших методов является топологическая оптимизация. Существуют различные формы реализации такого вида анализа конструкций, но наиболее распространен вариант использования плотности материала как обобщенного параметра. Развитие технологий 3D-печати усиливает интерес к алгоритмам такого типа. При этом, как правило, речь идет о печати металлом или пластиком, что подразумевает изотропию материала. Появление систем печати непрерывным волокном, развитие выкладочных машин, работающих с композитными пленками, позволяет управлять не только позицией материала, но и выбирать локальную ориентацию армирующих элементов. Такие системы требуют развития алгоритмов оптимизации с учетом дополнительных параметров, характеризующих анизотропию материала. Традиционная задача топологической оптимизации в этом случае должна быть прежде всего модифицирована для модели ортотропного материала с ограничениями на величину угла поворота линий армирования вдоль траектории печати. В данной работе предложен вариант такого алгоритма топологической оптимизации, реализованный на основе комплекса конечно-элементного моделирования Abaqus, и рассмотрены примеры решения типовых задач.
Топологическая оптимизация, анизотропная топологическая оптимизация, выбор ориентации волокна, полимерные композиты, аддитивные технологии, термопластичное связующее, оптимизация армирования
Короткий адрес: https://sciup.org/146282363
IDR: 146282363 | DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.17
Список литературы Алгоритм топологической оптимизации конструкции, выполненной из анизотропного материала с учетом параметров ориентации армирования
- Manufacturing and 3D printing of continuous carbon fiber prepreg filament / Q. Hu [et al.] // Journal of Materials Science. - 2018. - Vol. 53, no. 3. - P. 1887-1898.
- UV-assisted 3D printing of glass and carbon fiber-reinforced dual-cure polymer composites / M. Invernizzi [et al.] // Materials. - 2016. - Vol. 9, no. 7. - 583 p.
- Build orientation determination for multi-material deposition additive manufacturing with continuous fibers / Y. Zhang [et al.] // Procedia Cirp. - 2016. - Vol. 50, no. 2016. - P. 414-419.
- 3D printing for continuous fiber reinforced thermoplastic composites: mechanism and performance / Chuncheng Yang, Xiaoyong Tian, Tengfei Liu, Yi Cao, Dichen Li // Rapid Prototyp J. - 2017. - Vol. 23.
- Development of a two-matrix composite material fabricated by 3D printing / A.V. Azarov [et al.] // Polymer Science, Series D. - 2017. - Vol. 10, no. 1. - P. 87-90.
- Composite 3D printing for the small size unmanned aerial vehicle structure / A.V. Azarov [et al.] // Composites Part B: Engineering. - 2019. - Vol. 169. - P. 157-163.
- Additively manufactured carbon fiber-reinforced composites: State of the art and perspective / N. van de Werken [et al.] // Additive Manufacturing. - 2020. - Vol. 31. - P. 100962.
- Novel continuous fiber bi-matrix composite 3D-printing technology / A. Adumitroaie [et al.] // Materials. - 2019. - Vol. 12, no. 18. - P. 3011.
- 3D printing of optimized composites with variable fiber volume fraction and stiffness using continuous fiber / K. Sugiyama [et al.] // Composites Science and Technology. - 2020. - Vol. 186. - P. 107905.
- Anisogrid thermoplastic composite lattice structure by innovative out-of-autoclave process / D. Santoro [et al.] // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2020. - Vol. 109, no. 7. - P. 1941-1952.
- Yasa E., Ersoy K.A. Review on the additive manufacturing of fiber reinforced polymer matrix composite // Proceedings of the 29th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium. - Austin, TX, USA, 2018. - P. 13-15.
- Van Campen J.M.J.F., Kassapoglou C., Gürdal Z. Generating realistic laminate fiber angle distributions for optimal variable stiffness laminates // Composites Part B: Engineering. - 2012. - Vol. 43, no. 2. - P. 354-360.
- Bendsoe M.P., Sigmund O. Topology optimization: theory, methods, and applications. - Springer Science & Business Media, 2013.
- Bendsoe M.P., Kikuchi N. Generating optimal topologies in structural design using a homogenization method. - 1988.
- Bendsøe M.P. Optimal shape design as a material distribution problem // Structural Optimization. - 1989. - Vol. 1, no. 4. - P. 193-202.
- Bendsøe M.P., Sigmund O. Material interpolation schemes in topology optimization // Archive of Applied Mechanics. - 1999. - Vol. 69, no. 9-10. - P. 635-654.
- Sigmund O., Petersson J. Numerical instabilities in topology optimization: a survey on procedures dealing with checkerboards, mesh-dependencies and local minima // Structural Optimization. - 1998. - Vol. 16, no. 1. - P. 68-75.
- Sigmund O. A 99 line topology optimization code written in Matlab // Structural and Multidisciplinary Optimization. - 2001. - Vol. 21, no. 2. - P. 120-127.
- Sigmund O. On the design of compliant mechanisms using topology optimization // Journal of Structural Mechanics. - 1997. - Vol. 25, no. 4. - P. 493-524.
- Sigmund O., Maute K. Topology optimization approaches // Structural and Multidisciplinary Optimization. - 2013. - Vol. 48, no. 6. - P. 1031-1055.
- Rozvany G.I.N. A critical review of established methods of structural topology optimization // Structural and Multidisciplinary Optimization. - 2009. - Vol. 37, no. 3. - P. 217-237.
- Sigmund O., Torquato S. Design of materials with extreme thermal expansion using a three-phase topology optimization method // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 1997. - Vol. 45, no. 6. - P. 1037-1067.
- Bourdin B. Filters in topology optimization // International Journal for Numerical Methods in Engineering. - 2001. - Vol. 50, no. 9. - P. 2143-2158.
- Duysinx P., Bendsøe M.P. Topology optimization of continuum structures with local stress constraints // International Journal for Numerical Methods in Engineering. - 1998. - Vol. 43, no. 8. - P. 1453-1478.
- Bruggi M. On an alternative approach to stress constraints relaxation in topology optimization // Structural and Multidisciplinary Optimization. - 2008. - Vol. 36, no. 2. - P. 125-141.
- Fedulov B.N., Fedorenko A.N. Residual strength estimation of a laminated composite with barely visible impact damage based on topology optimization // Structural and Multidisciplinary Optimization. - 2020. - P. 1-19.
- Fedulov B.N., Fedorenko A.N., Lomakin E.V. Evaluation of the residual strength of structures made of composite materials based on a conservative distribution of damage parameters // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2019. - Vol. 581, no. 1. - P. 012023.
- Fedulov B., Fedorenko A. The analysis of the worst-case distribution of the damage in composite material imposed by a low velocity impact // Procedia Structural Integrity. - 2019. - Vol. 18. - P. 399-405.
- Stegmann J., Lund E. Discrete material optimization of general composite shell structures // International Journal for Numerical Methods in Engineering. - 2005. - Vol. 62, no. 14. - P. 2009-2027.
- Zhou K., Li X. Topology optimization of structures under multiple load cases using a fiber-reinforced composite material model // Computational Mechanics. - 2006. - Vol. 38, no. 2. - P. 163-170.
