基于可靠性的中空板结构⁃功能一体化设计与性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.02.009

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (2): 52-57.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.02.009

基于可靠性的中空板结构⁃功能一体化设计与性能研究

尹芳放¹, 党开放¹, 杨卫民¹^,², 丁玉梅¹, 谢鹏程¹^,²()

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029

收稿日期:2020-09-14 出版日期:2021-02-26 发布日期:2021-02-22
基金资助:
宁波市科技创新2025重大专项(2018B10021)

Study on Reliability⁃based Feature⁃integrated Design and Performance Analysis for Hollow Slab

YIN Fangfang¹, DANG Kaifang¹, YANG Weimin¹^,², DING Yumei¹, XIE Pengcheng¹^,²()

^1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.State Key Laboratory of Organic and Inorganic Composite Materials，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China

Received:2020-09-14 Online:2021-02-26 Published:2021-02-22
Contact: XIE Pengcheng E-mail:xiepc@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对聚合物制品的可靠性、轻量化和力学性能的结构?功能一体化设计，建立了RBTO-MMWDC 连续体结构拓扑优化模型。为便于该设计方法的普及应用，实现了基于优化程序的图形用户界面开发，并选取可靠性指标β=3.0的中空板截面结构为例完成设计。采用有限元仿真方法分别对新型中空结构的静力学性能和动力学响应进行了评价分析。与传统结构相比其抗压性能和抗弯性能分别提升了29.20 %和74.93 %，一阶固有频率实现了100.91 %提升并有效避免于前5阶发生扭转振型。此外，以SLA光敏树脂C-UV9400为原料，采用光固化3D打印技术制备2种中空结构试件样品并利用材料力学性能测试系统对其进行了抗弯强度和刚度试验。结果表明，新型结构抗弯强度和刚度分别实现了60.88 %和55.30 %的显著提升。该研究为面向聚合物制品的结构-功能一体化设计工程应用提供了理论参考与可行性解决方案。

关键词: 可靠性设计, 结构?功能一体化, 中空板, 增材制造, 力学性能

Abstract:

The reliability-based topology optimization based on a modified minimum weight with a displacement constraint model （RBTO-MMWDC） was established for the feature?integrated design of polymer products. In order to facilitate the popularization and application of this design method， a graphical user interface was developed on the basis of an optimization code， realizing the design of hollow slab section structure with a reliability index （β） of 3.0. The mechanical properties of the optimized structure were evaluated and analyzed through finite element simulation. Compared to the traditional structure， the compression resistance and bending resistance properties of the optimized structure were improved by 29.20 % and 74.93 %， respectively. The first?order natural frequency increased by 100.91 %， which effectively avoided the torsional modal shapes in the first five order modes. In addition， the C?UV9400 photopolymer for SLA was adopted as a raw material to prepare the specimens with two hollow slab structures using a stereolithography 3D printing technology. The optimized structure achieved an improvement in bending resistance strength and stiffness by 60.88 % and 55.30 %， respectively. This study provides a theoretical reference and feasible solution for the feature?integrated design of polymer products in the engineering application.

Key words: reliability-based design, feature?integration, hollow slab, additive manufacturing, mechanical property

中图分类号:

TQ320.1

尹芳放, 党开放, 杨卫民, 丁玉梅, 谢鹏程. 基于可靠性的中空板结构⁃功能一体化设计与性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(2): 52-57.

YIN Fangfang, DANG Kaifang, YANG Weimin, DING Yumei, XIE Pengcheng. Study on Reliability⁃based Feature⁃integrated Design and Performance Analysis for Hollow Slab[J]. China Plastics, 2021, 35(2): 52-57.

图/表 12

图1 RBTO?MMWDC模型拓扑优化计算流程图

Fig.1 The flow chart of topology optimization based on RBTO?MMWDC model

图2 结构?功能一体化结构设计图形界面

Fig.2 Graphical user interface of feature?integration structure design

图3 有限元模型示意图

Fig.3 Model of FEM simulation

图4 中空板结构试件样品

Fig.4 Specimen of hollow slab structure

力学指标	总体位移/mm	Y轴方向位移/mm
结构1	2.26×10^-2	2.19×10^-2
结构2	1.60×10^-2	1.58×10^-2
变化值/%	-29.20	-27.85

表1 2种中空结构抗压稳定性仿真结果

Tab.1 Compression resistance stability simulation results of two hollow slab structures

力学

指标

最大应力/MPa

总体位移/

X轴方向

位移/mm

Y轴方向

位移/mm

Z轴方向

位移/mm

变化值/

表2 中空结构抗弯稳定性仿真结果

Tab.2 Bending resistance stability simulation results of two hollow slab structures

频率阶数	结构1的固有频率/Hz	结构2的固有频率/Hz
1	2 067.20	4 153.20
2	2 292.40	4 287.00
3	3 449.30	5 181.30
4	4 166.30	5 929.10
5	4 528.60	7 038.60

表3 2种中空结构模态仿真结果

Tab.3 Modal simulation results of two hollow slab structures

图5 结构1振型结果

Fig.5 Mode shape simulation results of structure 1

图6 结构2振型结果

Fig.6 Mode shape simulation results of structure 2

结构

类型

表4 2种结构的3组试件抗弯强度

Tab.4 Strength of three groups of specimens with two structures

图7 2种结构抗弯强度曲线

Fig.7 Bending resistance strength experiment curves of two structures

结构类型

试件1

位移/mm

试件2

位移/mm

试件3

位移/mm

表5 2种结构1 500 N载荷下的形变量

Tab.5 Displacement of two structure under 1500N

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