考虑增材制造中悬空角度约束的结构拓扑优化
发布时间：2021-01-27 16:35
增材制造技术作为一种颠覆性的制造技术,可以比较容易地制备出几何构型高度复杂的结构,为设计人员提供了非常广阔的结构设计空间,只是传统的结构设计方法不能充分发掘增材制造的应用潜力。而拓扑优化方法是一种高效和先进的结构设计方法,拥有极高的设计自由度,设计人员基于拓扑优化方法可以从无到有地设计出性能优异、构型新颖但传统制造工艺往往难以加工制造的复杂结构。因此很自然地需要将增材制造技术和拓扑优化方法结合起来进行研究。面向增材制造技术进行结构的拓扑优化设计,需要考虑其独特的制造工艺约束,比如本文所研究的悬空角度约束,即结构中悬空边界与水平线的夹角需要大于一个指定的角度。本文通过在拓扑优化中引入悬空角度约束来设计自支撑结构,这样能够有效地避免熔融沉积成型技术和选择性激光熔化技术等增材制造工艺中出现的结构翘曲和塌陷,大幅减少增材制造过程中支撑材料的使用从而减少所消耗的时间和成本。本文在水平集拓扑优化方法的框架内,先是提取了结构边界的法向量,并基于法向量和打印方向的数量积来检测结构边界上违反悬空角度约束的点的集合。然后利用符号距离函数的特点,将逐点形式的悬空角度约束转换为域积分和边界积分两种等效的约束形...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 结构优化设计
1.2 拓扑优化的发展与应用
1.3 拓扑优化方法
1.4 增材制造
1.4.1 增材制造技术工艺
1.4.2 考虑增材制造工艺约束的拓扑优化
1.5 本文主要研究内容
2 基于水平集函数的悬空角度约束处理方法
2.1 水平集优化模型
2.2 悬空角度约束
2.2.1 基于域积分的悬空角度约束定义
2.2.2 基于边界积分的悬空角度约束定义
2.3 水平集方法的实现流程
2.4 本章小结
3 域积分处理悬空角度约束的拓扑优化
3.1 考虑域积分悬空角度约束的优化列式
3.2 灵敏度分析
3.3 数值算例
3.3.1 短板梁算例
3.3.2 悬臂梁算例
3.3.3 简支梁算例
3.4 本章小结
4 边界积分处理悬空角度约束的拓扑优化
4.1 考虑边界积分悬空角度约束的优化列式
4.2 灵敏度分析
4.3 数值算例
4.3.1 边界积分悬空角度约束的验证
4.3.2 悬臂梁算例一
4.3.3 悬臂梁算例二
4.3.4 简支梁算例
4.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合型组织工程化人工骨支架:应用进展与未来方向[J]. 徐桂文,乌日开西·艾依提,滕勇. 中国组织工程研究. 2018(14)
[2]拓扑优化与增材制造结合:一种设计与制造一体化方法[J]. 刘书田,李取浩,陈文炯,张永存. 航空制造技术. 2017(10)
[3]3D打印材料应用和研究现状[J]. 王延庆,沈竞兴,吴海全. 航空材料学报. 2016(04)
[4]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)
[5]An identification method for enclosed voids restriction in manufacturability design for additive manufacturing structures[J]. Shutian LIU,Quhao LI,Wenjiong CHEN,Liyong TONG,Gengdong CHENG. Frontiers of Mechanical Engineering. 2015(02)
[6]高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题[J]. 王华明. 航空学报. 2014(10)
[7]人体器官3D打印的最新进展[J]. 王镓垠,柴磊,刘利彪,赵欣如,许雨帆,周新伟,张伟明,王小红. 机械工程学报. 2014(23)
[8]双材料结构非概率可靠性拓扑优化设计[J]. 罗阳军,王彦飞,岳珠峰. 机械工程学报. 2011(19)
[9]渐进结构优化法（ESO）和双向渐进结构优化法（BESO）的近期发展[J]. 谢亿民,黄晓东,左志豪,唐继武,荣见华. 力学进展. 2011(04)
[10]多相材料结构拓扑优化:体积约束还是质量约束?[J]. 高彤,张卫红,Duysinx Pierre. 力学学报. 2011(02)
博士论文
[1]基于点密度插值的结构拓扑优化方法及应用[D]. 王毅强.大连理工大学 2014
[2]多学科拓扑优化方法研究[D]. 胡三宝.华中科技大学 2011
本文编号：3003373
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 结构优化设计
1.2 拓扑优化的发展与应用
1.3 拓扑优化方法
1.4 增材制造
1.4.1 增材制造技术工艺
1.4.2 考虑增材制造工艺约束的拓扑优化
1.5 本文主要研究内容
2 基于水平集函数的悬空角度约束处理方法
2.1 水平集优化模型
2.2 悬空角度约束
2.2.1 基于域积分的悬空角度约束定义
2.2.2 基于边界积分的悬空角度约束定义
2.3 水平集方法的实现流程
2.4 本章小结
3 域积分处理悬空角度约束的拓扑优化
3.1 考虑域积分悬空角度约束的优化列式
3.2 灵敏度分析
3.3 数值算例
3.3.1 短板梁算例
3.3.2 悬臂梁算例
3.3.3 简支梁算例
3.4 本章小结
4 边界积分处理悬空角度约束的拓扑优化
4.1 考虑边界积分悬空角度约束的优化列式
4.2 灵敏度分析
4.3 数值算例
4.3.1 边界积分悬空角度约束的验证
4.3.2 悬臂梁算例一
4.3.3 悬臂梁算例二
4.3.4 简支梁算例
4.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合型组织工程化人工骨支架:应用进展与未来方向[J]. 徐桂文,乌日开西·艾依提,滕勇. 中国组织工程研究. 2018(14)
[2]拓扑优化与增材制造结合:一种设计与制造一体化方法[J]. 刘书田,李取浩,陈文炯,张永存. 航空制造技术. 2017(10)
[3]3D打印材料应用和研究现状[J]. 王延庆,沈竞兴,吴海全. 航空材料学报. 2016(04)
[4]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)
[5]An identification method for enclosed voids restriction in manufacturability design for additive manufacturing structures[J]. Shutian LIU,Quhao LI,Wenjiong CHEN,Liyong TONG,Gengdong CHENG. Frontiers of Mechanical Engineering. 2015(02)
[6]高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题[J]. 王华明. 航空学报. 2014(10)
[7]人体器官3D打印的最新进展[J]. 王镓垠,柴磊,刘利彪,赵欣如,许雨帆,周新伟,张伟明,王小红. 机械工程学报. 2014(23)
[8]双材料结构非概率可靠性拓扑优化设计[J]. 罗阳军,王彦飞,岳珠峰. 机械工程学报. 2011(19)
[9]渐进结构优化法（ESO）和双向渐进结构优化法（BESO）的近期发展[J]. 谢亿民,黄晓东,左志豪,唐继武,荣见华. 力学进展. 2011(04)
[10]多相材料结构拓扑优化:体积约束还是质量约束?[J]. 高彤,张卫红,Duysinx Pierre. 力学学报. 2011(02)
博士论文
[1]基于点密度插值的结构拓扑优化方法及应用[D]. 王毅强.大连理工大学 2014
[2]多学科拓扑优化方法研究[D]. 胡三宝.华中科技大学 2011
本文编号：3003373
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shengwushengchang/3003373.html
最近更新
教材专著
