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考虑强度和非等距纤维的3D打印连续纤维增强结构拓扑设计

Topology Design of 3D Printing Continuous Fiber‐Reinforced Structure Considering Strength and Non‐Equidistant Fiber

Feng Zhang, Bowen Li, Wuzhan Wo, Xiaobin Hu, Min Chang, Peng Jin · School of Aerospace Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China
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期刊 / 来源Advanced Engineering Materials
卷/期/页26 / 1
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关键词:连续纤维增强复合材料3D打印拓扑优化纤维取向设计非等距纤维路径Tsai-Hill强度准则双向进化结构优化

摘要整理

连续纤维增强复合材料(CFRC)3D打印技术为复合材料产品设计开辟了新途径。本文提出了一套针对CFRC 3D打印的新型并行拓扑优化框架。该框架将强度约束纳入考虑,采用拓扑、纤维体积分数和纤维取向作为关键设计变量。基于复合材料混合律,建立了多设计变量的纤维材料插值模型。分别采用双向进化结构优化(BESO)和各向同性实心材料惩罚法(SIMP)对拓扑和纤维体积分数进行优化,纤维取向则通过主应力法确定。强度约束采用Tsai-Hill准则进行评估。为适应制造工艺需求,引入了基于Hermite插值函数的非等距连续纤维路径优化方法。该优化框架成功应用于L形梁、悬臂梁和Michell梁的优化设计。研究表明,采用该方法可进一步拓展复合材料结构的设计空间。为验证所提优化方法和纤维路径设计方案的可行性,利用自主开发的连续纤维3D打印机对优化结果进行了打印验证。

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