供稿人：李家駿、田小永 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-06-10
連續(xù)碳纖維增強復合材料( CCFRCs )作為最受歡迎的先進復合材料之一，由于其優(yōu)異的強度和剛度重量比以及高度的設計靈活性，在航空航天、汽車、醫(yī)療等領域得到了廣泛的關注和應用。隨著3D打印技術的快速發(fā)展，特別是材料擠出( Material Extrusion，MEX )技術的發(fā)展，使得基于拓撲優(yōu)化的概念輕量化結(jié)構(gòu)成為可能。CCFRCs 3D打印為實現(xiàn)工業(yè)應用中的高性能結(jié)構(gòu)提供了一種新的手段，特別是對于飛機零部件，具有革新制造方法的潛力。
CCFRCs輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個新興趨勢是考慮材料性能的方向性。西安交通大學田小永團隊提出了一種兼顧制造效率和可制造性的拓撲優(yōu)化CCFRCs的設計和制造框架，并通過MEX在1 m以上的無人機機翼翼梁上進行了實驗驗證。如圖1所示，以MBB梁為例展示了從初始設計域到3D打印模型的設計示意圖，將拓撲特性轉(zhuǎn)化為易于實現(xiàn)的輕量化結(jié)構(gòu)概念。
圖1 CCFRCs的拓撲優(yōu)化和3D打印示意圖
復合材料及零件的力學性能受組成材料和加工條件的影響很大。研究者將層壓厚度設置為0.3 mm，艙口間距設置為1 mm。在制造過程中，打印速度為120 mm / min，打印頭溫度保持在280 ° C?？紤]到各向異性材料屬性對拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)的影響，對三種不同鋪層方向的試樣進行實驗測試，如圖2所示。
圖2 3D打印CCFRC的試驗研究：(a)試件；(b)、(c)和(d)分別為縱向試樣、橫向試樣和面內(nèi)試樣的應力-應變曲線
在考慮最佳材料密度、最佳纖維取向和3D打印工藝限制的情況下，可通過SOMP方法對承載結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并進一步設計成連續(xù)的纖維軌跡?；谠摲椒ㄍㄟ^簡單的打印路徑即可實現(xiàn)難加工拓撲優(yōu)化的CCFRCs。研究者利用實驗獲得的各向異性材料特性，優(yōu)化制備了梅瑟施米特- B ¨Olkow-Blohm ( MBB )光束，并與蜂窩光束的性能進行了對比，驗證了其可行性和有效性。作為工業(yè)案例研究，將所提出的框架應用于無人機機翼翼梁并進行優(yōu)化，如圖3所示。然后，采用3D打印技術在CCFRC上制作了翼梁和翼肋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并進行了實驗測試和數(shù)值分析，驗證了其承載能力。其中優(yōu)化后的翼梁能夠承受32.16倍于自重的垂直起飛工況下的工作載荷，并且機翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)在飛行狀態(tài)下具有較高的剛度。所提出的方法擴大了CCFRC的設計和制造自由度，具有革新制造的潛力，可在廣泛的應用范圍內(nèi)顯著提高性能和效率。
圖3 無人機翼梁優(yōu)化設計及路徑規(guī)劃結(jié)果：(a)翼梁拓撲優(yōu)化結(jié)果；(b)翼梁連續(xù)纖維軌跡設計；(c)翼梁的3D打印路徑；(d)機翼結(jié)構(gòu)的3D打印路徑