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莫道蝉翼轻,四两拨千斤——首届“天工杯”结构优化设计大赛获奖作品解析

3年前浏览1782

40ml塑料有多少?

大概1/12瓶矿泉水,或者2.5个脉动瓶盖大小吧。

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46g塑料有多重?

大概1只小龙虾,或者1个鸡蛋那么重吧。

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那么,用这些塑料3D打印一个120mm×80mm×60mm的筒状结构,能承受多大的载荷?

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100kg?200kg?还是300kg?

如果我告诉你,2个这样的塑料小圆筒就能承载1辆小汽车的重量(1.2-1.4吨),你敢相信吗?

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请相信我,优秀的结构设计师真的能做到。

11月2日,由航天科工三院、国际仿真与多学科优化设计协会(ASMDO)、鑫精合激光科技发展(北京)有限公司三方主办的首届“天工杯”结构优化设计暨增材制造大赛决赛现场,10组参赛选手的最终成绩普遍在6-7kN之间。

这就是拓扑优化和3D打印的魅力。

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比赛规则


比赛为异形筒状结构优化设计,在相同材料、重量,给定的载荷条件下,各队自由设计结构,统一进行3D打印,现场进行静力试验,根据实验结果当场公布比赛成绩,承载最重者获胜。



比赛题目


(1)异形筒状结构模型高120mm,外形从60mm×40mm矩形渐变为80mm圆形,其中两个方向开四个口盖,整个模型实体部分(灰色)为设计区域,其他空间为不可设计域。结构外蒙皮为不可设计域(图中红色 区域所示),以保持结构外形完整性。由于受到3D打印工艺性约束,外蒙皮最小厚度≥0.5mm。 

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(2)材料体积用量≤40ml,材料属性见下表; 

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(3)载荷加载:模型竖直放置,上表面使用加载工装向下加载,下表面使用工装固定;

 

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典型设计案例解析


入围决赛的10个作品设计思路大同小异,基本都是一样的套路:

概念设计  详细设计  强度校核  细节修改

本期优化讲坛,小编特别邀请了其中一位参赛选手,结合他的设计方案,为读者解析一下拓扑优化设计方法的流程。


1、概念设计

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通过有限元仿真软件分析整个结构的传力路径,形成拓扑优化概念方案。


2、详细设计

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根据概念方案,结合设计人员的工程经验,在CAD软件中重新建模。




3、强度校核

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通过CAE软件,分析结构的失效模式和应力集中区域,对前期设计不合理的地方再次优化。





难点分析


出题者为了提高设计难度,布置了非常刁钻的两个难点,一是接近40%表面积的大开口;二是开口投影相互交叠,无法设计一条笔直的传力路径。

最后进入决赛的作品,无一不是很好处理了这两个难点的作品。

(1)大开口补强


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(2)设计传力路径

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现场掠影

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比赛现场

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参赛作品

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DfAM理论科普汽车结构基础
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首次发布时间:2021-10-16
最近编辑:3年前
增材制造创新设计
博士后 | 高级工程师 更轻更强更优,创新无止境
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