連續(xù)纖維角度拓?fù)鋬?yōu)化在聚合物沉積增材制造中的應(yīng)用

供稿人：鄭子琪、田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

聚合物沉積增材制造（AM）方法打印出的零件的力學(xué)性能取決于打印方向，特別是在聚合物中加入短纖維增強(qiáng)材料時(shí)。這一特性為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)思路，即把AM的打印路徑定義在纖維方向上，以最大限度利用纖維的增強(qiáng)剛度。美國貝勒大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種連續(xù)纖維角度優(yōu)化（CFAO）的拓?fù)鋬?yōu)化方法，該方法計(jì)算了使用增材制造的纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的最佳材料分布與材料方向分布，并采用靈敏度濾波器來減小棋盤格效應(yīng)，使靜載結(jié)構(gòu)的柔度達(dá)到最小。

該團(tuán)隊(duì)將傳統(tǒng)的固體正交各向同性材料懲罰（SIMP）拓?fù)鋬?yōu)化擴(kuò)展到固體正交各向異性材料懲罰（SOMP）拓?fù)鋬?yōu)化中，即在每個(gè)離散的有限元單元中采用復(fù)合材料的各向異性材料模型，并施加一個(gè)懲罰參數(shù)來驅(qū)動離散的密度0-1布局。在優(yōu)化過程中，SOMP算法同時(shí)將結(jié)構(gòu)密度和纖維角度作為設(shè)計(jì)變量。從而實(shí)現(xiàn)具有定向微結(jié)構(gòu)的AM結(jié)構(gòu)的材料分布和材料取向最優(yōu)分布，如圖1所示。同時(shí)將該方法應(yīng)用于三維，說明了該方法的適應(yīng)性，如圖2所示。

圖1 MBB梁的CFAO密度和纖維角度優(yōu)化結(jié)果

圖2 三維CFAO拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)例

為了進(jìn)一步證明CFAO方法的有效性，將拓?fù)鋬?yōu)化后的元素密度轉(zhuǎn)換為STL文件格式，并平滑結(jié)構(gòu)的邊緣，然后采用輪廓平行沉積策略生成打印路徑，以保證打印路徑于結(jié)構(gòu)邊緣平行。采用PLA和短纖維增強(qiáng)材料，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行打印制造與三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，CFAO優(yōu)化后的MBB梁比纖維角度優(yōu)化結(jié)果的結(jié)構(gòu)剛度高29.9%，比纖維角度優(yōu)化結(jié)果的結(jié)構(gòu)剛度高12.4%。

圖3 CFAO優(yōu)化后的MBB梁打印路徑和試驗(yàn)測試

參考文獻(xiàn)：
Hajimirzaee S, Doyle A M. 3D printed catalytic converters with enhanced activity for low-temperature methane oxidation in dual-fuel engines[J]. Fuel, 2020,274:117848.