铸钢分叉节点的拓扑优化设计与3D打印制造研究

发布时间：2022-02-24 00:14

　　随着现代建筑科技水平的不断提高,大跨度空间结构体系也日趋复杂,部分节点处杆件相贯较多,焊接连接不便且残余应力大。铸钢分叉节点由于其整体浇注成型的技术特点,可对节点分管数量,分叉角度和尺寸进行精确控制,实现节点光滑且美观的外形,同时将施工中的焊接部位转移至节点区外,消除了结构在多杆件汇交区域焊接时产生的残余应力,从而降低了施工难度,提升施工速度与施工质量。然而,现阶段铸钢分叉节点的优化设计和生产制造技术水平仍然较低。节点设计优化不足,在杆件汇交处存在应力集中现象,且节点自重大,用钢量多,生产运输成本高;节点生产制造技术落后,仍采用制造芯模-砂箱-熔钢浇注-热处理打磨等步骤的传统工艺,工序繁琐,制造精度低、工期长、成本高、节能和环保效益低下,已难以满足现代工程实践的需求。针对铸钢分叉节点设计及制造过程中存在的上述问题,本文以铸钢双分叉、三分叉、四分叉节点为对象,采用拓扑优化的方法对铸钢分叉节点的最优拓扑形态进行了研究,并利用3D打印制造技术探寻了铸钢分叉节点智能制造方式。首先,利用Solid Works三维建模软件建立原始的铸钢分叉节点模型,并应用Hyper Works有限元软件中的Opt... 

【文章来源】：河南大学河南省

【文章页数】：117 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 选题背景及意义
    1.2 铸钢分叉节点的发展和研究现状
        1.2.1 铸钢材料方面
        1.2.2 有限元分析技术
        1.2.3 受力性能与承载力计算公式
        1.2.4 铸钢节点试验
        1.2.5 生产制造技术
        1.2.6 现阶段研究的不足之处
    1.3 拓扑优化
        1.3.1 拓扑优化的概念
        1.3.2 拓扑优化的分类
        1.3.3 离散体结构拓扑优化的研究现状
        1.3.4 连续体结构拓扑优化的研究现状
        1.3.5 拓扑优化在建筑结构领域中的应用
    1.4 3D打印制造技术
        1.4.1 3D打印制造技术的发展和研究现状
        1.4.2 3D打印制造技术在建筑领域中的应用
    1.5 本文的主要研究内容
    1.6 本文的特色与创新之处
第二章 铸钢分叉节点的拓扑优化理论及建模
    2.1 拓扑优化理论
        2.1.1 变密度法中的SIMP插值模型
        2.1.2 Opti Struct解算器
        2.1.3 Opti Struct求解理论
    2.2 拓扑优化数学模型
    2.3 节点原始模型的建立
        2.3.1 模型参数
        2.3.2 前处理
    2.4 原始节点模型有限元静力分析
    2.5 本章小结
第三章 铸钢分叉节点的拓扑优化设计
    3.1 拓扑优化参数设置
        3.1.1 惩罚因子
        3.1.2 棋盘格控制
    3.2 拓扑优化设计
        3.2.1 拓扑优化分析
        3.2.2 单元密度静态分析
        3.2.3 单元密度等值面分析
        3.2.4 优化结果筛选
    3.3 节点在其它工况作用下拓扑优化的讨论
    3.4 本章小结
第四章 拓扑优化节点的力学性能分析
    4.1 拓扑优化节点的静力分析
        4.1.1 双分叉拓扑优化节点
        4.1.2 三分叉拓扑优化节点
        4.1.3 四分叉拓扑优化节点
    4.2 拓扑优化节点与工程中常用节点力学性能比较
        4.2.1 拓扑优化节点与焊接空心球节点的比较
        4.2.2 拓扑优化节点与树状节点的比较
        4.2.3 数据总结
    4.3 基于拓扑优化节点的新型节点
    4.4 拓扑优化设计在工程实践应用中的算例分析
        4.4.1 半球状铸钢连接节点
        4.4.2 树枝状铸钢连接节点
    4.5 本章小结
第五章 铸钢分叉节点的3D打印制造
    5.1 3D打印的技术分类及设备
        5.1.1 高分子材料3D打印技术
        5.1.2 金属3D打印技术
    5.2 3D打印制造流程
    5.3 3D打印参数
        5.3.1 分层厚度
        5.3.2 边缘厚度
        5.3.3 填充密度
        5.3.4 打印温度
        5.3.5 打印速度
        5.3.6 支撑方式
        5.3.7 后处理工艺
    5.4 新型快速铸造方式的探索
    5.5 打印结果与讨论
    5.6 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间取得成果情况


【参考文献】：
期刊论文
[1]空间结构节点的拓扑优化与增材制造[J]. 陈敏超,赵阳,谢亿民.  土木工程学报. 2019(02)
[2]面向增材制造的索杆结构节点拓扑优化设计[J]. 赵阳,陈敏超,王震.  建筑结构学报. 2019(03)
[3]铸钢分叉节点基于分管破坏模式的承载性能研究[J]. 孙云,杜文风,刘春雨.  建筑技术. 2018(02)
[4]轴力作用下铸钢三分叉节点承载力与实用计算公式研究[J]. 杜文风,孙云,刘琦,高博青,董石麟.  空间结构. 2017(02)
[5]树状结构二分叉铸钢节点抗弯极限承载力的几何影响因素及计算方法研究[J]. 吴卫华,董正方,杜文风.  钢结构. 2016(08)
[6]天津图书馆铸钢节点力学性能[J]. 陈志华,姜玉挺,闫星宇,吴辽.  天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2016(S1)
[7]拓扑优化技术在实现建筑与结构一体化设计中的应用[J]. 谢亿民,周一一,王锦.  建筑技艺. 2016(04)
[8]3D打印技术研究现状和关键技术[J]. 张学军,唐思熠,肇恒跃,郭绍庆,李能,孙兵兵,陈冰清.  材料工程. 2016(02)
[9]3D打印技术的工业应用及产业化发展[J]. 史玉升.  机械设计与制造工程. 2016(02)
[10]树状结构空间四分叉铸钢节点抗弯极限承载力分析[J]. 吴卫华,董正方,杜文风.  河南大学学报(自然科学版). 2015(04)

博士论文
[1]连续体结构拓扑优化理论与应用研究[D]. 左孔天.华中科技大学 2004

硕士论文
[1]面向增材制造的空间结构节点拓扑优化设计[D]. 陈敏超.浙江大学 2018
[2]树状结构铸钢分叉节点理论研究[D]. 孙志飞.河南大学 2014
[3]基于变密度法的连续体拓扑优化设计[D]. 汤颖颖.长安大学 2008
[4]南通市体育会展中心分叉柱底铸钢节点应力集中及承载力问题的分析研究[D]. 徐剑锋.东南大学 2005
[5]铸钢节点的理论分析与试验研究[D]. 林彦.天津大学 2004



本文编号：3641578