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面向混凝土3D打印的拓扑优化设计

时间:2022-06-24 15:14 来源:混凝土3D打印的拓扑优化设计 作者:admin 阅读:
        在当前人力成本不断提高、劳动力越发紧张的形势下, 如何使用智能化建造技术来缩短工期、减少工业废料、降低人力成本成为了建筑行业的焦点。混凝土3D打印(3D concrete printing, 3DCP)将增材制造技术与前沿材料工艺相结合, 使用逐层堆积的方式进行三维布料, 实现了免模板施工。通过结合数字建模、无模化、装配式施工,混凝土3D打印减低了复杂结构的施工难度与成本, 为拓扑优化应用于建筑设计提供了途径。然而,传统拓扑优化设计通常由于无法直接满足混凝土3D打印的各种要求,而导致打印效率低、质量差、甚至打印失败。谢亿民院士团队近日发表在增材制造领域国际顶级期刊《AdditiveManufacturing》的论文对该问题进行了深入研究,提出了一种面向混凝土3D打印的拓扑优化新算法, 在保持设计结构性能的同时提高了整体打印质量与效率。

谢亿民院士团队在其首创的双向渐进结构优化(Bi-directional Evolutionary Structural Optimization, BESO)技术的基础上,将以下四种施工约束引入设计流程中:
  • 竖向自支撑(Self-support)约束
  • 横向一笔画(Continuous extrusion)约束
  • 装配式设计(Modular construction)约束
  • 横向各向同性(Tranverse isotropic)约束
       竖向自支撑约束确保了设计的竖向连续性,每一打印层均可以有效支撑下一打印层。优化设计因此避免了悬挑,实现了自支撑打印。
横向一笔画约束确保了设计的横向连续性,每一打印层均为连续闭合结构。配合团队在前期工作中提出的一笔画路径算法,打印可实现全局连续,有效提高了打印效率与质量。
装配式设计约束允许设计者将设计区域划分为不同模块。每一模块可根据其功能或尺寸采用不同角度打印,以提高整体打印效率。
横向各向同性约束考虑了混凝土3D打印不同方向上的材料强度差异,以提高优化结果的准确性。

△ 图一:悬臂梁设计域


△ 图二:将设计域分为两个装配式模块后获得的优化结果:(a)以图形中心线为打印底板,向左右两侧打印(b)以图形两侧为打印底板,向中心线打印

研究团队以图一所示的经典悬臂梁为算例进行了优化设计。以XZ平面为对称面,设计域被划分为两个装配式模块。图二a和b采用不同打印方向:
a:以图形中心线为打印底板,每个模块向外侧打印
b:以图形外侧为打印底板,每个模块向中心线打印

图二中的优化结果满足了施工约束,确保了每个模块在竖向和横向上的连续性。相较传统BESO优化结果,增加约束后的设计在整体刚度上保持一致,保证了结构的高效性。在此之上,优化结果可使用一笔画算法规划路径,确保高效不间断打印。
△ 图三:使用一笔画算法对优化结果进行路径规划


研究团队使用新算法对图四中的座椅进行了优化设计。为了满足功能需求,我们将座椅表面规定为非设计域,并对内部传力区域进行优化。为了增加打印效率,团队以XZ平面为对称轴将设计域划分为两个装配式模块,获得了图五所示的优化结果。配合一笔画路径算法,每个模块在打印中均实现了自支撑连续打印,最终完成了图六所示的拓扑优化混凝土3D打印座椅。


△ 图四:拓扑优化座椅设计域


△ 图五:优化结果:(左)单一装配式模块(右)双模块拼接后结果;为了展现内部细节,图中一侧透明


△ 图六:混凝土3D打印结果:(a)拼装前单一装配式模块(b)拼装后整体结果

该研究提出了面向混凝土3D打印的拓扑优化新方法,可应用于智能化建筑设计。

本研究课题由博士生毕明昊完成主要工作,经谢亿民院士和JonathanTran博士悉心指导,并获得河北工业大学马国伟教授、博士生夏令伟对混凝土3D打印实验提供的指导与帮助。该项研究工作已发表在《Additive Manufacturing》期刊上 (Q1, 影响因子:10.998)。

论文原文:M. Bi, P. Tran, L. Xia, G. Ma, Y.M. Xie, Topology optimization for 3D concrete printing with various manufacturing constraints, Additive Manufacturing 57 (2022) 102982. https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102982.

(责任编辑:admin)

weixin
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