基于Voronoi图的3D打印轻量化结构设计及其应用研究
发布时间：2025-02-07 17:28
轻量化是制造业领域的一个重要研究方向,同时也是设计者不断追求的目标,目前实现轻量化的主要途径有两种:一是使用轻质材料,二是使用轻量化结构,本文主要针对后者进行了研究。而轻量化结构设计又分为两类:一是通过零件的约束及受力情况得出较好的尺寸、拓扑结构,优化之前无法得知其结果是怎么样,例如拓扑优化;二是将零件中需要优化的部分替换成轻量化的结构,优化的结果可以预见,例如各种夹层结构。夹层结构尤其是三维点阵结构一般结构较为复杂,具有两大难点:一是生成方法较为复杂,二是传统制造方法难以制造。3D打印作为一种新型制造技术可以完美解决第二个难点——制造困难的问题,而本文将对第一个难点寻求解决方法。本文提出了一种基于Voronoi图的轻量化夹层结构生成方法,并对其性能进行了研究,研究对象包括利用二维Voronoi图生成的不规则蜂窝结构以及利用三维Voronoi图生成的不规则泡沫结构。主要研究内容及成果如下:(1)提出了不规则Voronoi图以及对应实体模型的生成算法,并定义了其不规则度、相对密度、网格疏密度等参数。(2)利用有限元仿真方法研究了上述不同参数对于结构弹性性能的影响,结果显示不规则度越大,弹性...
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 论文选题背景及研究意义
1.2 Voronoi图的研究现状
1.3 轻量化结构设计的研究现状
1.3.1 两种优化类型
1.3.2 拓扑优化
1.3.3 格栅结构与点阵结构
1.4 论文主要研究内容
第2章 Voronoi图与有限元原理研究
2.1 二维不规则蜂窝模型的建立
2.2 二维不规则蜂窝模型的参数
2.2.1 网格数量
2.2.2 不规则度
2.2.3 相对密度
2.3 模型有限元理论计算
2.3.1 有限单元法简介
2.3.2 单元分析
2.3.3 单元刚度矩阵计算
2.3.4 单元刚度矩阵的坐标转换
2.3.5 整体刚度矩阵的组装
2.4 本章小结
第3章 基于Voronoi图生成的不规则蜂窝结构仿真
3.1 利用参数化语言(APDL)建立ANSYS模型
3.1.1 建立Voronoi图
3.1.2 提取Voronoi图信息并生成APDL语言建模
3.2 各参数对模型弹性性能的影响
3.2.1 约束和载荷施加
3.2.2 不规则度对弹性性能的影响
3.2.3 相对密度对于弹性性能的影响
3.2.4 网格疏密度对于弹性性能的影响
3.3 标准正六边形蜂窝模型
3.3.1 模型建立
3.3.2 仿真及结果
3.4 从几何结构分析原因
3.5 本章小结
第4章 基于Voronoi图生成的三维泡沫结构仿真
4.1 三维泡沫结构
4.2 模型参数
4.2.1 网格数量
4.2.2 不规则度
4.2.3 相对密度
4.3 模型生成
4.3.1 建立三维Voronoi图
4.3.2 提取Voronoi图信息生成APDL语言建模
4.4 不同参数对于模型弹性性能的影响
4.4.1 约束和载荷施加
4.4.2 不规则度对于弹性性能的影响
4.4.3 相对密度对于弹性性能的影响
4.4.4 网格疏密度对于弹性性能的影响
4.4.5 截面形状对于弹性性能的影响
4.5 标准Kelvin十四面体模型仿真
4.5.1 模型建立
4.5.2 仿真及结果
4.6 本章小结
第5章 基于Voronoi图生成的轻量化结构力学实验
5.1 实体模型的建立
5.2 打印参数对于FDM成形件的影响
5.2.1 参数选择与正交实验
5.2.2 不同参数打印件拉伸实验
5.2.3 试样的拉伸实验结果
5.2.4 对数据进一步处理
5.2.5 正交试验结果分析—极差分析法
5.3 二维蜂窝结构拉伸实验
5.4 三维泡沫结构压缩实验
5.5 本章小结
第6章 基于Voronoi图生成的轻量化结构应用研究
6.1 飞机机翼的结构
6.2 机翼模型建立
6.3 轻量化后模型
6.3.1 应用二维不规则蜂窝
6.3.2 应用三维不规则泡沫
6.4 仿真分析与比较
6.4.1 载荷施加计算
6.4.2 结果比较
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
致谢
本文编号：4031046
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 论文选题背景及研究意义
1.2 Voronoi图的研究现状
1.3 轻量化结构设计的研究现状
1.3.1 两种优化类型
1.3.2 拓扑优化
1.3.3 格栅结构与点阵结构
1.4 论文主要研究内容
第2章 Voronoi图与有限元原理研究
2.1 二维不规则蜂窝模型的建立
2.2 二维不规则蜂窝模型的参数
2.2.1 网格数量
2.2.2 不规则度
2.2.3 相对密度
2.3 模型有限元理论计算
2.3.1 有限单元法简介
2.3.2 单元分析
2.3.3 单元刚度矩阵计算
2.3.4 单元刚度矩阵的坐标转换
2.3.5 整体刚度矩阵的组装
2.4 本章小结
第3章 基于Voronoi图生成的不规则蜂窝结构仿真
3.1 利用参数化语言(APDL)建立ANSYS模型
3.1.1 建立Voronoi图
3.1.2 提取Voronoi图信息并生成APDL语言建模
3.2 各参数对模型弹性性能的影响
3.2.1 约束和载荷施加
3.2.2 不规则度对弹性性能的影响
3.2.3 相对密度对于弹性性能的影响
3.2.4 网格疏密度对于弹性性能的影响
3.3 标准正六边形蜂窝模型
3.3.1 模型建立
3.3.2 仿真及结果
3.4 从几何结构分析原因
3.5 本章小结
第4章 基于Voronoi图生成的三维泡沫结构仿真
4.1 三维泡沫结构
4.2 模型参数
4.2.1 网格数量
4.2.2 不规则度
4.2.3 相对密度
4.3 模型生成
4.3.1 建立三维Voronoi图
4.3.2 提取Voronoi图信息生成APDL语言建模
4.4 不同参数对于模型弹性性能的影响
4.4.1 约束和载荷施加
4.4.2 不规则度对于弹性性能的影响
4.4.3 相对密度对于弹性性能的影响
4.4.4 网格疏密度对于弹性性能的影响
4.4.5 截面形状对于弹性性能的影响
4.5 标准Kelvin十四面体模型仿真
4.5.1 模型建立
4.5.2 仿真及结果
4.6 本章小结
第5章 基于Voronoi图生成的轻量化结构力学实验
5.1 实体模型的建立
5.2 打印参数对于FDM成形件的影响
5.2.1 参数选择与正交实验
5.2.2 不同参数打印件拉伸实验
5.2.3 试样的拉伸实验结果
5.2.4 对数据进一步处理
5.2.5 正交试验结果分析—极差分析法
5.3 二维蜂窝结构拉伸实验
5.4 三维泡沫结构压缩实验
5.5 本章小结
第6章 基于Voronoi图生成的轻量化结构应用研究
6.1 飞机机翼的结构
6.2 机翼模型建立
6.3 轻量化后模型
6.3.1 应用二维不规则蜂窝
6.3.2 应用三维不规则泡沫
6.4 仿真分析与比较
6.4.1 载荷施加计算
6.4.2 结果比较
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
致谢
本文编号：4031046
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