考虑3D打印残余变形的结构拓扑优化设计

3D打印金属粉末快速熔、凝过程中反复剧烈的温度变化不可避免产生残余变形,过大的残余形变积累,可导致打印工件变形、扭曲甚至开裂、失效。该研究利用拓扑优化方法,在结构设计阶段考虑此“制造约束”,以实现3D打印过程残余变形的有效控制。通过对相邻2个打印层金属粉末熔融过程进行弹塑性热-力耦合有限元分析,提取等效的固有应变载荷,实现金属3D打印过程高效模拟及残余变形快速预测,并进行试验验证;基于浮动映射拓扑优化(Floating projection topology optimization,FPTO)方法,引入整体残余变形P范数,推导3D打印过程残余变形灵敏度,提出结构柔度和3D打印残余变形最小化的多工况多目标优化算法,满足设计性能的同时,提高制造性能;通过二维和三维实例,验证所提方法的有效性。

基于骨架提取的拓扑优化最小尺寸精确控制

受到可制造性的约束,拓扑优化技术目前多用于结构的概念设计,因此,研究直接面向加工制造的拓扑优化方法很有必要。该文基于启发式BESO(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization)算法,提出了一种高效的可精确控制结构最小尺寸的拓扑优化方法。通过灵敏度插值,细化边界单元,改进BESO算法,解决边界不光滑问题;采用拓扑细化方法,提取拓扑结构的骨架构型;以此为基础,判定结构中不满足最小尺寸约束的部位,基于改进的BESO算法,实现拓扑优化结构的最小尺寸精确控制;此外,在优化过程中,通过松弛施加最小尺寸约束的方法,有效避免优化早熟问题。数值算例表明了该拓扑优化方法的有效性。

一种密度约束的拓扑优化方法

拓扑优化方法是改善结构性能、实现结构创新设计的有效手段。本文采用浮动映射技术,提出了一种密度约束的拓扑优化(Density-constrained topology optimization,DCTO)方法。该方法不同于SIMP方法,采用线性无惩罚材料插值模型,通过准则优化,首先找到结构的最优“厚度”(材料相对密度)分布,然后通过浮动映射函数不断对材料相对密度施加约束,使其逐渐趋于0/1分布。所提出拓扑优化方法的材料相对密度直接代表了材料在结构中的“厚度”分布,其求解原理与SIMP方法有着本质区别。数值算例表明,该方法得到的拓扑结构边界更清晰、光滑,且可避免材料插值模型选取问题。

氧化石墨烯水泥基复合材料的性能及研究进展

水泥基材料在建筑领域应用广泛,但其存在抗弯强度低、抗裂性和韧性差等缺点,因此改善水泥基材料性能一直是建筑材料领域研究的热点之一。氧化石墨烯(GO)是在石墨烯基面和边缘修饰了含氧官能团的一种二维衍生石墨烯材料,具有蜂窝状的结构形貌,亲水性、分散性和反应活性好。将GO加入水泥基材料中,可促进花状形貌晶体的形成,并加速水化进程的成核速度,使其形成致密的交联结构,进而细化水泥浆体的空隙,有效降低孔隙率,从而增强水泥基材料的力学性能,但流动性等有所降低。因此研究人员主要从微观作用机理、静态力学性能及耐久性等方面开展了深入研究,并取得了丰硕的成果。GO自身较大比表面积的结构性质致使水泥基复合材料流变性差,利用硅灰(SF)和氧化石墨烯包覆硅灰(GOSF)等外加剂对GO进行改性,从而提高GO水泥浆体的流动性。基于微观结构作用机理,对比不同GO掺量、试件尺寸、水灰比下的抗压强度和抗弯强度的增长率,分析GO水泥基复合材料的力学性能的增强机理。GO对水泥基材料抗压、抗拉、抗弯强度增长率存在较大差异,其中抗弯强度提高幅度最大。GO对硅酸盐水泥力学性能的提高程度较磷酸镁钾水泥更为显著。对于动态力学性能,不同应变率下裂纹扩展路径存在差异,在高应变率下GO的增强效应更为显著。水泥基材料工作环境中各类离子化合物及酸碱度对其基体有消极的影响,GO对其耐久性有明显的提高作用。本文对近年来GO水泥基复合材料的研究状况进行梳理,分析其微观结构作用机理、流动性、力学性能及耐久性等,阐述了目前国内外的研究状况及存在的问题,并展望了GO水泥基复合材料未来的发展趋势。

氧化石墨烯对混凝土微观结构及力学性能的影响

为探究氧化石墨烯(GO)对混凝土微观结构及力学性能的影响,配置了5种掺量的GO分散液,对其不同龄期立方体混凝土试件进行抗压、劈裂抗拉试验研究。利用扫面电镜分析了混凝土的微观结构,并给出了力学性能提高的微观作用机理。研究表明:GO混凝土的微观结构致密紧凑有秩,粗骨料界面水化凝结更加完整,致使混凝土抗压和劈裂抗拉强度有较为明显的提高。GO掺量为0.07%和0.09%时,混凝土抗压和劈裂抗拉的强度增幅分别为30.64%和29.71%,掺量为0.07%时两者均提高较大。GO对混凝土的延性有一定提高效果。