針對(duì)十字交叉節(jié)點(diǎn)自重大且傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化效果不佳的問題,應(yīng)用仿生學(xué)原理提出一種仿生子結(jié)構(gòu)劃分方法,并進(jìn)行了深入的拓?fù)鋬?yōu)化及3D打印制造研究。首先通過SolidWorks軟件建立十字交叉節(jié)點(diǎn)原始模型,并以蜂巢為仿生對(duì)象進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化子結(jié)構(gòu)劃分,然后應(yīng)用HyperWorks有限元軟件進(jìn)行給定荷載條件下的拓?fù)鋬?yōu)化分析,優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為最大化剛度,約束條件設(shè)置為體積約束,其中仿生蜂巢子結(jié)構(gòu)體積約束與其他次要子結(jié)構(gòu)體積約束分別設(shè)置為0.8及0.2;最后通過OSSmooth模塊進(jìn)行FEA reanalysis處理,提取拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析,并將拓?fù)涔?jié)點(diǎn)有限元模型轉(zhuǎn)化為STL文件,通過3D打印制造出拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的縮尺模型。研究結(jié)果表明:利用仿生子結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法可僅使用2個(gè)子結(jié)構(gòu)便快速得到最佳拓?fù)錁?gòu)型,其拓?fù)涔?jié)點(diǎn)相較于原始節(jié)點(diǎn)最大位移降低了7.73%,最大等效應(yīng)力降低了27.06%,質(zhì)量降低了34.45%,應(yīng)用此方法顯著提升了結(jié)構(gòu)優(yōu)化效率和優(yōu)化效果,將拓?fù)浣Y(jié)果應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造,解決了復(fù)雜形體采用傳統(tǒng)工藝難以制造的問題。

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圖1節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸及構(gòu)造

圖1為節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸及構(gòu)造。采用SolidWorks軟件建立的傳統(tǒng)十字交叉節(jié)點(diǎn)原始模型如圖2所示。整個(gè)模型被分為優(yōu)化工作區(qū)域(中間扁多邊形區(qū)域)與非優(yōu)化工作區(qū)域(四根分管)。圖2原始節(jié)點(diǎn)模型

圖2原始節(jié)點(diǎn)模型

圖1節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸及構(gòu)造1.2.2傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化

圖3傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化下的單元密度結(jié)果等值面圖

定義最大化剛度(最小化柔度)為目標(biāo)函數(shù)、以40%的結(jié)構(gòu)體積分?jǐn)?shù)為約束條件進(jìn)行傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化，所得到的單元密度ρ結(jié)果等值面圖如圖3所示。由圖3可見，單元密度結(jié)果等值面圖可直觀地顯示出材料分布情況及載荷傳遞路徑，所保留的單元均是十字交叉節(jié)點(diǎn)受力的核心區(qū)域，同時(shí)也是材料分布的關(guān)鍵區(qū)域。

圖4傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化下的Clippedgeometry分析結(jié)果

在使用傳統(tǒng)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化時(shí)，通常把整個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域憑經(jīng)驗(yàn)劃分成若干個(gè)子結(jié)構(gòu)，不同子結(jié)構(gòu)取不同的結(jié)構(gòu)體積分?jǐn)?shù)約束，以最大化剛度(最小化柔度)為拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)變量設(shè)為單元相對(duì)密度，用數(shù)學(xué)語言描述可表示為式中:Vo為第o個(gè)拓?fù)鋯卧慕Y(jié)構(gòu)體積分?jǐn)?shù)，Vou和Vol為其上界和下界....

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