基于拓扑优化的3D打印聚乳酸材料的轻量化结构设计

轻量化结构设计可以在保持性能的同时降低产品质量,对汽车高铁、航空航天等行业实现节能减排具有重要意义。聚乳酸具有可降解、易打印、良好的力学性能等优点,在3D打印领域得到广泛应用。本文中以可降解材料聚乳酸为研究对象,以拓扑优化作为轻量化结构设计的方法,采用熔融沉积3D打印技术,探究拓扑优化过程中参数(体积分数和惩罚因子)对工件在弯曲载荷下总变形的影响。对不同填充率下拓扑优化前后的工件质量进行对比,并探究了拓扑优化后不同熔融沉积3D打印速度下工件的弯曲性能。结果表明,当体积分数取40%、惩罚因子取3时,拓扑优化后模型最大变形量满足优化目标;3D打印的拓扑优化工件可以实现50%的减重且保持较高的弯曲力,但弯曲模量和变形量略有下降;降低打印速度对拓扑优化后工件的力学性能影响不大。

数字优化设计结合3D打印技术在下胫腓联合损伤中骨隧道建立的应用

目的通过数字优化设计寻找下胫腓联合骨隧道最佳置入位置。方法选取西南医科大学附属中医医院95名下胫腓联合损伤患者的100个下胫腓联合CT资料,导入Mimics19.0软件中重建模型。在胫骨和腓骨之间进行虚拟钻孔并设计隧道叠加在重建模型上,作为虚拟模型。此外进行3D打印作为实际模型。分别测量8个参数,分别为骨隧道长度,胫骨隧道中心到胫骨前、后部的距离,腓外侧隧道中心到腓骨前、后部的距离,骨隧道胫骨侧点到内踝距离,骨隧道腓骨侧点到外踝距离以及骨隧道与水平面间夹角。结果比较了虚拟模型和实际模型的8个参数,测量结果间差异均不明显(P>0.05)。在解剖学层面上不同性别结果差异存在统计学意义(P<0.05),受累侧结果差异无明显统计学意义(P>0.05)。结论数字优化设计可以为下胫腓联合重建提供精准可靠的骨隧道,从而为手术提供良好的固定,帮助患者尽早恢复踝关节功能。

双Z轴FDM-3D打印机Z轴同步带张紧装置优化设计

双Z轴FDM(熔融沉积)打印机的两轴用步进电动机独立控制,没有机械联接装置,导致双Z轴FDM打印机出现平台校准时间长、平台易受干扰等问题。为了解决这一问题,文中介绍了双Z轴机型的结构,分析平台校准对工件制作与机器稳定的影响,从坚固耐用与方便装配的角度出发,设计了一种同步带张紧装置。建立了该结构的理论模型并进行仿真模拟,通过实物的制作与使用对优化的同步带张紧装置进行了可行性验证。该同步带张紧装置有效提高了双Z轴FDM打印机的稳定性与可靠性。

高职院校Unity3D虚拟现实设计与应用课程的优化策略

随着技能型社会的创建,高职院校Unity3D虚拟现实设计与应用课程的教学也需要与时俱进,从而更好地满足学生的学习需求。现阶段的高职院校在开展高职院校Unity3D虚拟现实设计与应用课程教学中,在教学模式和教学过程中都存在一定程度的不足,需要及时的进行优化和调整。在优化过程中既要注重学生理论知识的培养,也要注重实践能力的强化,从课程安排、校企合作等角度入手对课程进行完善。

基于FLAC3D对秘鲁某边坡锚杆支护优化设计分析

锚杆支护措施是现今边坡防护中常用的措施之一。工程实践中,本着保守设计的原则,锚杆支护设计方案往往倾向于依靠工程经验进行设计,选取的锚杆支护参数,未能达到合理优化设计的目的,造成不必要的材料浪费。本文以秘鲁某边坡为例,运用数值模拟软件FLAC3D分析锚杆长度、锚杆垂直间距、锚杆倾角三个因素变化时,对边坡安全系数的影响,考虑到“经济性”和“安全性”基础上,进一步探求以上三个因素的最优组合。结果表明:(1)锚杆支护涉及的三个主要参数中对边坡安全系数的影响大小依次为:垂直间距>锚杆长度>锚杆倾角;(2)锚杆长度4m,锚杆间距2.5m及锚杆倾角12°为该边坡条件下的最优组合,此时锚杆长度从原方案中的每根6m缩短为每根4m,降低33.3%,锚杆间距由2m增加到2.5m,达到兼顾安全性与经济性的目的,以期能为其他工程带来借鉴意义。

基于响应面法的3D打印墙体材料配合比优化

为了得到一种建筑3D打印墙体材料的配合比,以满足试验室自制的3D打印机要求为目标,通过前期试验得到基本配合比,在原配合比的基础上加入硫铝酸盐水泥、硅灰和早强剂来进一步提升材料性能。通过响应面法设计试验方案,建立3 d抗压强度、3 d抗折强度和流动度的回归模型,对模型进行方差分析和图像分析,得到3 d抗压强度、3 d抗折强度和流动度同时保持最优值时的各因素最佳水平为硫铝酸盐水泥为11.017%,硅灰为11.795%,早强剂为0.4%。根据软件给出的最佳配合比进行验证试验,结果表明:在此掺量下的3 d抗压强度、3 d抗折强度和流动度分别为13.726 MPa、2.907 MPa和17.75 mm,试验值与预测值之间相对误差较小,验证了响应面法在3D打印墙体材料配合比优化方面的可靠性。

多材料微流挤出3D打印喷头优化设计

为了满足微流挤出工艺陶瓷3D打印机连续打印多材料以及均匀混合的要求,设计了变内径螺杆挤出式3D打印机挤出混料新结构,不仅可以实现高固含量浆料在喷头内部单向输送,同时通过变内径螺杆旋转搅拌使两种材料混合均匀。通过Ansys响应面优化,在挤出头段以最小压力实现最大面积加权平均速度为目标函数,实现在低功耗高输出的不同需求下匹配不同挤出速度;在螺杆段以优化最大剪切速率为目标函数,实现两种陶瓷浆料的均匀混合。结果表明,通过参数化优化后可以在螺杆低转速与小型化的要求下,实现不同小流率高精度打印及两种材料的均匀混合。

3D打印前臂外固定支具的有限元分析与结构优化设计

背景:使用3D打印技术制作适合患者个性化的支具普遍存在,但却缺乏支具对前臂骨折断裂处保护效果的生物力学验证。目的:将逆向建模、有限元分析与拓扑优化等方法相结合,提出一种3D打印制作前臂支具的可行性方法,并通过有限元分析验证支具的有效性。方法:采用逆向建模方法,通过医学图像处理软件Mimics构建1例男性志愿者前臂模型,并利用参数化设计软件Grasshopper对Rodin 4D采集的前臂数据进行处理并建立支具模型。依据前臂生物力学特性对佩戴支具的前臂整体模型进行有限元分析,再根据有限元分析结果对支具进行拓扑优化并作打孔处理,最后用3D打印机将支具打印出来。结果与结论:(1)在100 N的压力载荷下,骨折断裂处应力与位移分别为1.53 MPa和0.27 mm,而前臂在支具保护下断裂处的应力与位移分别下降到0.19 MPa和0.005 mm;(2)在保证支具力学性能前提下对支具进行拓扑优化,通过对比优化后支具的支承刚度结果,选择减少40%体积作为优化结果,再根据优化结果使用Grasshopper插件对支具进行打孔减材处理;(3)通过对比由不同文样镂空设计的支具强度,选择泰森多边形作为打孔文样;(4)提出使用数字化设计与3D打印技术制作的前臂支具具有可行性,实验建立了完整的前臂支具设计、验证及制造系统。

基于FLAC3D缓倾斜厚大矿体采场结构参数优化研究

基于FLAC3D软件,介绍一种缓倾斜厚大矿体采场结构参数最优方案。具体研究中采用FLAC3D软件与Mathew图表法相结合的方式,获取三种缓倾斜厚大矿体采场结构参数优化方案,并从中选择一种最优方案。在某煤矿进行实际应用,验证最优方案及采场结构参数优化方法的可行性。验证结果表明,优化后采场结构参数可满足具体生产要求。

基于拓扑优化与3D打印的多尺度设计-制造一体化方法研究

拓扑优化(TO)和3D打印是当前工程设计与制造领域的研究前沿,而多尺度TO设计和基于TO和3D打印的设计-制造一体化是两大挑战性应用问题。为解决这两大应用问题,首先通过在多种TO方法中引入IGA方法、最大/最小尺寸约束和自支撑设计获得面向3D打印的TO/ITO混合算法;然后考虑尺度分离和尺度相关两种情况实现多尺度TO/ITO设计;最后将所得最终拓扑采用多自由度3D打印技术和微观尺度3D打印技术制备出来。所得基于拓扑优化与3D打印的多尺度设计-制造一体化方法具有更高效、成本较低且应用更广泛的优势,促进了两大应用问题在实际工程中的应用。

基于FLAC^(3D)的山区高速公路高边坡支护方案优化设计

以湖南省武冈至靖州高速公路第8合同段的CBK10+660~CBK10+720边坡工程为依托,利用FLAC^(3D)对该边坡进行稳定性分析,结果表明该边坡处于欠稳定状态,需对其采取防护措施;对适合于该边坡的防护方案考虑多方面因素进行了对比分析,确定适合于该边坡的最优化设计方案是第一、三级边坡采用方形骨架防护、第二级边坡采用锚杆支护。边坡的方案优化设计思路可为类似工程提供参考。

基于FLAC 3D的近接隧道桥梁桩基优化设计分析

当新建桥梁近接既有隧道施工时,桥梁桩基的位置以及尺寸至关重要。为优化桥梁桩基参数以减小桥梁工程造价并保证既有隧道的安全,以宜毕高速公路叙永支线近接青岗脚隧道的桥段为例,采用FLAC 3D数值模拟软件对不同桩基距隧道净间距、桩长、桩径条件下既有隧道支护结构的最大内力和位移、桩基位移等进行分析对比,找出了最优桥梁桩基设计方案;然后,在优化方案基础上,研究了整个桥梁施工过程中桩基受力变化对既有隧道支护结构内力和位移的影响。研究结果表明:桩基与隧道的最优间距为15 m,最优桩长为41 m~42 m,最优桩径为1.5 m~2.0 m。桩基与隧道间距为15 m、桩长为42 m、桩径为1.5 m的数值分析结果显示,桥梁施工过程中,桩基的最大沉降值为18.6 mm,而隧道拱顶最大沉降值和最大弯矩值则分别为4.0 mm和802.8 kN·m,这表明该设计可以同时满足桥梁和隧道的安全使用要求。

基于FLAC 3D的抗滑桩优化设计探讨

抗滑桩在滑坡工程的治理中,应用广泛。采用FLAC3D有限差分软件对滑坡抗滑桩设计进行优化。分析过程中地层模型选用摩尔-库伦模型,抗滑桩采用桩单元,分别从设桩位置、桩长以及桩间距影响等方面进行了分析,获得了较经济合理的设计方案。

基于C#与GOCAD—FLAC^(3D)的三维地质模拟程序设计

地质系统的动力学数值模拟成为时下地质领域的热点和发展趋势，也是地质科学定量化和精确化的必然途径。随着计算机和算法的快速发展，计算已经不是动力学计算模拟的主要难题。

面向增材制造技术的四旋翼无人机底座拓扑优化设计

利用Inspire软件对四旋翼无人机底座进行拓扑优化和轻量化设计。首先根据逆向工程技术得到四旋翼无人机底座的三维模型,然后将三维模型导入到Inspire软件进行有限元分析和拓扑优化。结果显示:无人机底座优化前的质量为66.158 g(材料ABS),通过轻量化设计之后的质量为30.218 g,实现了54.32%的减重,同时,最大米塞斯等效应力为3.213MPa,最大位移为0.190 9 mm,最小安全系数为14,减重后的性能满足要求。最后利用3D打印方法将优化后的底座打印出来,并试验验证了拓扑优化方法的合理性和可行性。

基于SURPAC-FLAC^(3D)露天矿边坡设计及稳定性分析

以金鑫铜钼矿为工程背景,利用SURPAC和FLAC3D软件建立矿山实体计算模型,同时获得矿山剥采比和采出矿石量等经济数据。在不降低边坡安全系数的前提下,通过适当提高单台阶角度、高度和减小清扫平台宽度3种途径来增加露天矿最终边坡角度,使得最终边坡角提高2°,剥采比从3.66降低到3.52,减少岩石剥离量约1350万t,有效增加矿山企业经济效益。并在此基础上,通过FLAC3D对加陡后的露天矿山边坡进行稳定性分析,分析加陡之后的各边坡水平位移、塑性区破坏分布情况,并对加陡后较为危险的北边帮进行跟踪点监测。分析结果表明,各边坡除小范围局部不稳定外,整体处于稳定状态,可以通过局部加固来达到矿山安全开采的要求。

基于FLAC3D的煤巷支护方案优化及应用

以淮南矿业集团朱集矿1112(1)工作面轨道巷支护为背景,运用FLAC3D对煤巷锚杆支护进行模拟分析,提出多种支护方案。比较各种支护方案下巷道的顶板沉降、底臌及两帮位移量,综合考虑安全、支护成本、掘进进度等因素,得出一套符合煤矿生产实际的优化支护方案。

三自由度悬臂式3D打印机结构设计及优化

针对目前龙门式3D打印机打印平台固定且打印空间受限的问题,基于圆柱坐标系用ρ、θ和z三个参数对三维空间进行描述的原理,创新设计出一台具有旋转运动、水平移动和上下移动的三自由度悬臂式3D打印机。通过对底座上方机械的结构分析和受力分析,对旋转传动装置分析模型进行了简化处理。并使用有限元软件ANSYS Workbench对简化后的旋转传动装置进行了静力分析和模态分析。在静力分析和模态分析的基础上,按轻量化的设计要求,利用ANSYS的响应曲面优化工具,对减速器承载体的关键尺寸进行多目标优化。优化结果表明,响应面优化法能很好地完成多目标优化设计,实现了整机的轻量化。

粒料3D打印机机头传热结构优化设计

在熔融沉积成型制造技术中,热流道及喷头的温度场对聚合物的流动及沉积有很大影响。针对现有的聚合物熔体微分粒料3D打印机,建立机头的三维模型,运用有限元分析的方法得到其温度场分布。模拟结果表明,热源与喷头之间存在较大温差,且热流道温度分布不均匀。针对以上结构的缺点,提出机头结构的优化方案,并对其所用材料进行改进。对优化后的机头再次进行有限元热分析,分析结果表明,优化后的机头热源与喷头之间的温差显著减小,且热流道的温度分布趋于均匀。因此,3D打印机机头结构优化方案对于聚合物熔体的稳定输送及沉积成型有重要意义。

卫星偏置动量轮3D模型的优化设计与有限元分析

为提高卫星姿态控制系统的精度、寿命以及确定卫星合理的有效载荷和性能指标,提出了偏置动量轮整体优化设计方案。通过三维实体建模软件Pro/E建立轮体、壳体的密封罩和底座的简化几何模型,依据动量轮轮体和壳体的特性与设计要求,建立动量轮整体优化设计的数学模型;利用Matlab软件中fmincon和fminimax函数分别进行偏置动量轮整体优化设计计算。结合优化结果对结构尺寸进行适当调整,取动量轮半径为81 mm,轮缘高度和宽度分别为24、6 mm,轮辐高度和宽度分别为21、6 mm,轮体内环倒圆和外环倒圆为20、5 mm,壳体厚度为1 mm。经有限元分析验证后轮体的静态和动态性能均达到了指标要求,体积减小了15%。