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主管单位 中华人民共和国
工业和信息化部
主办单位 中国材料研究学会
哈尔滨工业大学
主编 苑世剑 国际刊号ISSN 1005-0299 国内刊号CN 23-1345/TB

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引用本文:张荣耀,钱波,刘钢.基于连续碳纤维3D打印的结构拓扑优化及工艺研究[J].材料科学与工艺,2024,32(1):88-99.DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20220346.
ZHANG Rongyao,QIAN Bo,LIU Gang.Structural topology optimization and process research based on continuous carbon fiber 3D printing[J].Materials Science and Technology,2024,32(1):88-99.DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20220346.
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基于连续碳纤维3D打印的结构拓扑优化及工艺研究
张荣耀,钱波,刘钢
(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院, 上海 201600)
摘要:
本文利用3D打印技术制备了“椭圆形跑道”样件来研究不同纤维角度和纤维层分布对样件机械性能的影响,并通过实验考察各种力学测试中样件的断裂模式。然后基于变密度的拓扑优化理论对三点弯曲梁、C形夹和弹架悬臂进行结构拓扑优化,并通过力学性能实验进行验证。结果表明,在所有的测试中都观察到样件具有各向异性的机械性能,其中纤维方向具有最高的强度和刚度,而跨层方向具有较低的强度和刚度。通过有限元分析和压缩试验表明,经过拓扑优化的连续碳纤维3D 打印弹架悬臂结构能够经受住极端运行条件的考验。
关键词:  弹架悬臂  拓扑优化  连续碳纤维  3D打印  变密度法
DOI:10.11951/j.issn.1005-0299.20220346
分类号:TB302
文献标识码:A
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51775328).
Structural topology optimization and process research based on continuous carbon fiber 3D printing
ZHANG Rongyao, QIAN Bo, LIU Gang
(School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China)
Abstract:
In this paper, "elliptical runway" prototypes were prepared by 3D printing technology to study the effects of different fiber angles and fiber layer distributions on the mechanical properties of the prototypes, and the fracture modes in various mechanical tests were tested experimentally. Then, the topology of the three-point bending beam, C-clamp and cartridge cantilever was optimized based on the topology optimization theory of variable density, and verified by mechanical performance tests. The results show that anisotropic mechanical properties are observed in all mechanical tests, in which the fiber direction has the highest strength and stiffness, while the spanwise direction has lower strength and stiffness. The topologically optimized continuous carbon fiber 3D-printed bullet rack cantilever structure can withstand extreme operating conditions through finite element analysis and compression testing.
Key words:  bullet rack cantilever  topology optimization  continuous carbon fiber  3D printing  variable density method

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