空间结构金属增材制造节点的拓扑优化

作     者：陈耀伦 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜涛

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：拓扑优化 金属增材制造 空间结构 节点 参数分析 

摘      要：随着空间结构新体系的涌现及空间结构向自由形态的演变,其整体复杂度日益增加。在此趋势下,空间结构节点的形态也日趋复杂,不仅需要满足结构设计师对结构性能的安全需求,而且需要迎合建筑师对节点形态的美观要求。因此,空间结构节点优化设计的需求日益凸显。拓扑优化是实现空间结构节点优化的有力工具,它通过材料重分布的方式优化节点在给定荷载和约束条件下的性能,以达到“轻质高强的目的。但经拓扑优化后的节点通常呈现复杂且不规则的几何形态,难以由传统制造方法实现,拓扑优化的发展也因此受限。金属增材制造技术的出现,为解决上述难题提供了新的途径。该技术以三维模型数据为基础,通过金属粉末逐层叠加的方式进行生产,具有定制化、自由制造的优点,因此有更大的潜能可以实现空间结构节点的最优拓扑设计。基于上述背景,本文结合实际工程项目,对面向金属增材制造的空间结构节点拓扑优化进行了研究。首先,利用内置OptiStruct求解器的拓扑优化软件HyperWorks针对节点模型进行拓扑优化分析。在建立连续体拓扑数学模型后,详细讨论了不同参数对拓扑优化后节点形态的影响、不同迭代步中拓扑形态的衍变过程以及拓扑优化对于节点应力状态的影响。然后,基于上述参数分析和迭代分析,将拓扑优化设计运用于工程项目Airmesh中(Airmesh是本文作者参与设计的基于金属增材制造节点的空间杆系结构,现已竣工),并对其节点进行了单工况和多工况的最大化刚度拓扑优化对比分析。此外,还利用面向建筑设计师的拓扑优化软件Inspire对Airmesh节点进行了两种不同优化目标的拓扑优化设计。在完成拓扑优化后,利用PolyNURBS对拓扑优化后节点进行重设计,使节点达到可制造与加工的形态。最后,通过Abaqus的应力分析对比,比较不同优化目标和不同软件的优化效果并验证拓扑优化在工程中的实际效用。