基于拓扑优化的多复合材料3D打印增强方法及实验研究

作     者：李伟豪 茅健 郑武 张婷 LI Weihao;MAO Jian;ZHENG Wu;ZHANG Ting

作者机构：上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201600 华融普瑞(北京)科技有限公司北京100192 

出 版 物：《现代制造工程》 (Modern Manufacturing Engineering)

年 卷 期：2023年第6期

页      面：26-32,77页

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：北京市科委项目(Z191100008019006) 

主　　题：拓扑优化 3D打印 多复合材料 有限元分析 增强制造 变密度法 

摘      要：针对多复合材料3D打印制造中利用连续纤维增强模型强度问题,提出利用拓扑优化技术对模型进行增强的方法,提升其力学性能。基于变密度法中的固体各向同向材料惩罚(Solid Isotropic Material with Penalization,SIMP)方法,引入体积分数常量,求解出模型的拓扑结构;建立采用增强材料填充拓扑结构、基础材料填充空洞结构的多复合材料3D打印材料分布模型,从而使得模型的整体结构得到强化。为验证该方法的可行性,以120 mm×80 mm×10 mm的矩形小板为例,利用ANSYS软件建立静力学仿真模型,与未增强模型力学分析结果进行对比,得到采用层间增强、轮廓增强和拓扑增强的模型在Y方向上的位移降低幅度分别为88.90%、87.10%和94.13%,采用拓扑增强的模型位移降低幅度最大;拓扑增强相对于轮廓增强和层间增强在Y方向位移上分别降低了50.79%和54.65%,表明该方法适用于多复合材料3D打印。根据仿真内容进行静力学实验分析,实验结果表明优化结构对比未优化结构在位移上减小了39.6%,证明了该方法对于复合材料3D增强打印具有实用价值。