مهندسی ساخت و تولید ایران

مهندسی ساخت و تولید ایران

طراحی و تحلیل ساختارهای مکانیکی بهینه‌شده با استفاده از بهینه‌سازی توپولوژی و چاپ سه‌بعدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش، رویکردی نوین مبتنی بر بهینه‌سازی توپولوژی برای طراحی و تحلیل ساختارهای مکانیکی سبک و با عملکرد بالا ارائه شده است. با استفاده از شبیه‌سازی عددی و آزمایش‌های تجربی، رفتار مکانیکی نمونه‌های طراحی‌شده مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا طرح اولیه در نرم‌افزار المان محدود آباکوس با استفاده از بهینه‌سازی توپولوژی ایجاد شد و با توجه به ساختار ایجاد شده، مدل شبکه‌ای برای بررسی به عنوان جاذب انرژی طراحی شد. مدل‌های طراحی شده در نرم‌افزار المان محدود آباکوس تحت بارگذاری شبه استاتیکی قرار گرفتند. برای اعتبارسنجی نتایج، نمونه‌های تجربی با استفاده از پرینتر سه‌بعدی ساخته شدند و به صورت تجربی تحت بارگذاری شبه استاتیکی قرار گرفتند که همخوانی نتایج عددی و تجربی را تأیید کردند. دو چیدمان مختلف برای بررسی ساختار ارائه شده مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که ساختارهای بهینه‌شده از نظر جذب انرژی، استحکام و کاهش وزن، عملکرد مناسبی دارند و نمونه بهینه دوم از نظر مقدار جذب انرژی در مقایسه با نمونه اول به میزان 5/31 درصد دارای عملکرد بهتری است. این روش نه تنها امکان طراحی سازه‌هایی با کارایی بالاتر را فراهم می‌کند، بلکه کاربردهای گسترده‌ای در صنایع خودروسازی، هوافضا و دیگر حوزه‌های مهندسی دارد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Design and analysis of optimized mechanical structures using topology optimization and 3D printing

نویسندگان English

Shahram Hosseini
Amin Farrokhabadi
Romina Nazari
Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

This study presents a novel approach based on topology optimization for the design and analysis of lightweight and high-performance mechanical structures. The mechanical behavior of the designed samples was investigated using numerical simulations and experimental tests. Initially, the preliminary design was generated using topology optimization using the Abaqus finite element software. Based on the resulting structure, a lattice model was designed to function as an energy absorber. The designed models were subjected to quasi-static loading in Abaqus finite element software. To validate the results, experimental samples were fabricated using 3D printing and tested under quasi-static loading conditions. The consistency between numerical and experimental results was confirmed. Two different configurations were studied to evaluate the proposed structure. The results demonstrated that the optimized structures exhibited satisfactory performance in terms of energy absorption, strength, and weight reduction, and the second optimal sample has a better performance in terms of energy absorption compared to the first sample by 31.5%. This approach not only enables the design of more efficient structures but also offers broad applications in industries such as automotive, aerospace, and other engineering fields.

کلیدواژه‌ها English

Topology Optimization
Energy Absorber
3D Printing
Numerical Simulation
Quasi-Static Testing
[1]   Bodaghi M, Serjouei A, Zolfagharian A, Fotouhi M, Rahman H, Durand D. Reversible energy absorbing meta-sandwiches by FDM 4D printing. International Journal of Mechanical Sciences. 2020 May 1;173:105451. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2020.105451
[2]   Zhang J, Lu G, You Z. Large deformation and energy absorption of additively manufactured auxetic materials and structures: A review. Composites Part B: Engineering. 2020 Nov 15;201:108340. doi: 10.1016/j.compositesb.2020.108340
[3]   Gao Q, Liao WH. Energy absorption of thin walled tube filled with gradient auxetic structures-theory and simulation. International Journal of Mechanical Sciences. 2021 Jul 1;201:106475. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106475
[4]   Linforth S, Ngo T, Tran P, Ruan D, Odish R. Investigation of the auxetic oval structure for energy absorption through quasi-static and dynamic experiments. International journal of impact engineering. 2021 Jan 1;147:103741. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2020.103741
[5]   Najafi M, Ahmadi H, Liaghat G. Experimental investigation on energy absorption of auxetic structures. Materials today: proceedings. 2021 Jan 1;34:350-5. doi: 10.1016/j.matpr.2020.06.075
[6]   Lu H, Wang X, Chen T. In-plane dynamics crushing of a combined auxetic honeycomb with negative Poisson's ratio and enhanced energy absorption. Thin-Walled Structures. 2021 Mar 1;160:107366. doi: 10.1016/j.tws.2020.107366
[7]   Bohara RP, Linforth S, Nguyen T, Ghazlan A, Ngo T. Novel lightweight high-energy absorbing auxetic structures guided by topology optimisation. International Journal of Mechanical Sciences. 2021 Dec 1;211:106793. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2021.106793
[8]   Hosseini S, Farrokhabadi A, Chronopoulos D. Experimental and numerical analysis of shape memory sinusoidal lattice structure: Optimization through fusing an artificial neural network to a genetic algorithm. Composite Structures. 2023 Nov 1;323:117454. doi: 10.1016/j.compstruct.2023.117454
[9]   Farrokhabadi A, Ashrafian MM, Gharehbaghi H, Nazari R. Evaluation of the equivalent mechanical properties in a novel composite cruciform honeycomb using analytical and numerical methods. Composite Structures. 2021 Nov 1;275:114410. doi: 10.1016/j.compstruct.2021.114410
[10] Boopathi B, Ponniah G, Burela RG. Realizing the impact and compressive strengths of an arrowhead auxetic structure inspired by topology optimization. International Journal of Advances in Engineering Sciences and Applied Mathematics. 2020 Dec;12(3):211-7. doi: 10.1007/s12572-021-00286-w
[11] Gohar S, Hussain G, Ilyas M, Ali A. Performance of 3D printed topologically optimized novel auxetic structures under compressive loading: experimental and FE analyses. Journal of materials research and technology. 2021 Nov 1;15:394-408. doi: 10.1016/j.jmrt.2021.07.149
[12] Parsa A, Yazdani M. Presentation of a new construction methodology and experimental study of the energy absorption of pyramid core sandwich panels. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2021 Sep 23;8(7):10-9. [In Persian]
[13] Ghannadi N, Farrokhabadi A, Hosseini S. Energy Absorption Analysis in an Auxetic Lattice Structure Using Artificial Neural Network Machine Learning and Genetic Algorithm. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2024 Oct 22;11(8):20-31. doi: 10.22034/ijme.2024.470912.1993 [In Persian]
[14] Rezayat HR, Toozandehjani H, Zakeri A. Experimental study of energy absorption of sandwich panel with composite/elastomer skin. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2023 Dec 22;10(10):26‐42. doi: 10.22034/IJME.2023.418015.1840 [In Persian]
[15] Mirafzali SM, Hasanabadi A. Investigating the energy absorption quality of the porous Schwarz P structure made by 3D printing method. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2023 Jan 21;9(11):13-20. doi: 10.22034/IJME.2023.383269.1744 [In Persian]
[16] Bendsoe MP, Sigmund O. Topology optimization: theory, methods, and applications. 2nd ed. Berlin: Springer; 2003.