具有极限弹性性能的多相材料微结构拓扑优化设计

传统材料结构设计以单材料结构为主,可以得到具有特殊性能的微观结构。而多相材料结构能够充分发挥各相材料的优良性能,成为结构设计领域的研究热点。为了实现多相材料周期性微结构拓扑优化设计,以结构的等效弹性性能为优化目标,以材料体积和力学性能为约束条件,结合能量均匀化方法,建立了基于有序SIMP插值法的多材料拓扑优化数学模型,通过优化算法对其进行求解,得到了边界清晰的多相材料微结构拓扑构型。然后通过数值算例对得到的结构进行对比分析,验证了该模型的正确性与该方法的有效性。

多材料负泊松比微结构拓扑优化设计

复合材料优化设计为负泊松比结构提供更大的设计空间,可以充分挖掘材料的各种潜力。为实现多材料负泊松比微结构拓扑优化设计,文中基于序列插值法,对多材料密度进行归一化处理,得到了多材料插值模型,该模型能够使多材料在设计域内向不同材料点集合,可以在单一设计变量下完成多材料拓扑优化设计,无需增加额外设计变量。结合能量均匀化理论,以等效负泊松比为优化目标,进行相应的灵敏度分析,对优化模型进行求解,最终得到了具有负泊松比效应的多材料微结构。然后根据优化结果,对拓扑构型进行重构,并进行有限元分析,得到的结构具有负泊松比效应,结果表明,该方法能有效实现多材料负泊松比微结构拓扑优化设计。

基于增材制造的悬臂类结构抗倾覆拓扑优化方法

在悬臂类结构的增材制造过程中,其结构的重心在竖直方向上的投影必须位于底端支撑区域之内以防倾倒。基于此本文提出一种质量分布更新方法,使每一次迭代后的质量分布满足悬臂结构重心沿竖直方向的投影始终位于底端支撑区域之内。将该算法应用拓扑优化方法中,并添加增材制造的倾角约束,优化得到具有抗倾覆稳定性的悬臂结构。对该构型进行3D打印实验验证,结果表明加入质量分布更新算法的拓扑优化悬臂结构能够凭借自重稳定站立,具有抗倾覆稳定性。