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复杂曲面约束的薄壁结构优化及其3D打印性研究
| 论文题名： | 复杂曲面约束的薄壁结构优化及其3D打印性研究 |
| 关键词： | 汽车零部件;薄壁结构;复杂曲面约束;优化设计;3D打印技术;轻量化设计 |
| 摘要： | 为满足加工工艺的要求，传统汽车零部件的结构设计必须充分考虑到加工工艺的约束，从而导致最终设计在结构、尺寸等方面都不能是最优设计，理想的最优设计仅仅能作为最终设计的参考。3D打印技术的出现让童话世界中马良的“神笔”成为现实，可直接对理想最优设计进行加工，保证最终设计为最优设计方案而非次优设计。因此，面向3D打印技术的结构优化设计受到了广泛关注，尤其对于薄壁结构，要避免采用传统的等厚实体打印，充分发挥结构优化和3D打印技术的组合优势。 本文在国家自然科学基金的资助下，面向3D打印工艺，从薄壁结构的优化设计和极小曲面的填充两个方面进行了复杂曲面模型的轻量化设计，具体工作如下： 针对复杂曲面薄壁结构的轻量化设计，本文提出了一种基于可移动可变形组件（MMC）拓扑优化方法的复杂曲面薄壁结构的强化方法。该方法将薄壁结构分解为等厚的外表面蒙皮与厚度可变的强化结构。外表面蒙皮保证模型的外观需求，强化结构基于MMC拓扑优化方法，通过构建一个引导场及曲面定义域对MMC方法加以改善，使其实现复杂曲面结构的拓扑优化。本文通过Siemens NX平台实现优化结果的自动化建模，获取具有相对光滑边界的模型。通过对具有不同体积分数的强化结构的模型进行有限元仿真分析，对其力学性能进行对比，结果表明该方法具有理想的优化效果。 对于仿生结构在汽车领域的应用，本文进行了三周期极小曲面的结构探讨。三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces)是一种在三维空间的三个方向中任意方向均具备周期性并可无限扩展的极小曲面，故由三周期极小曲面组成的结构具备各项同性。这种极小曲面除了力学性能好的优点外，三周期极小曲面还具备光滑连续的孔隙结构，且该种孔隙结构易于控制，便于获取特定工况下的最佳孔隙度。本文通过对比不同的曲面在不同的评价指标的优异程度，分别从刚度及薄壁结构抗撞性两个方面对选定的曲面类型的结构轻量化设计，以求获得一定质量下的最优评价指标。结果表明，该种结构在刚度方面的优势一般，但在防撞击性能上较其他结构具备明显优势。 |
| 作者： | 江辉 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 李宝军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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