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将创建的两个极小曲面模型导出为STL模型,然后将模型导入到Cura软件中,通过读取模型的断面信息,用打印材料将这些断面进行逐层叠加 。
3D打印机读取模型完毕后,即可开始进行打印 。本次打印所选的材料为 PLA(聚乳酸),由于 PLA是由植物发酵聚合而成,因此其与传统塑料相比,具有更低碳、绿色环保的特点 。
拓扑优化
拓扑优化通过显示材料的分布情况,可在设计空间找到最佳的分布方案,并提供精简的结构设计指导 。
拓扑优化在工业设计中的应用要早于建筑领域,特别是在航空航天、汽车、半导体医学、军工等行业,因其对零件的强度与重量有着更高的要求,但是仅凭工程直觉和经验是很难得到满意结果的 。借助有限元分析提供的建议,可将优化结果逐步演化为最终的产品,这也改变了传统结构工程师的设计思维 。
借助Inspire软件对零件进行拓扑优化,通过设定荷载的大小与位置,由软件计算出合理的材料布局 。将优化后的数字模型进行光顺处理并用于数位加工,再经过张力测试和光学检验,即可得到得到轻量化结果 。
随着3D打印等数字化建造技术以及有限元技术的发展,建筑的空间将不再拘泥于传统的格局 。将拓扑优化的方法应用于建筑结构设计,能够使结构本身就具有强有力的艺术表现力,同时允许建筑师在方案初期即可引入结构优化的理念 。在满足受力要求的情况下,将设计中的多余材料减去,能够很大程度上缩短工程周期与节约成本 。
借助Inspire软件对建筑空间进行拓扑优化,通过设定荷载的大小与位置,由软件计算出合理的支撑布局,同时还可进行有限元分析 。
Millipede插件也提供了拓扑优化与有限元分析的功能,其流程主要包含四部分:荷载与边界条件定义、集合定义信息、解算程序、得到结果 。该案例为通过Millipede插件进行拓扑优化与有限元分析的案例 。
该案例的主要逻辑构建思路为首先定义边界条件、支撑部件、施加压力部件,然后由Topostruct 3D model运算器集合定义后的全部组件,再通过Topostruct 3D solver运算器进行解算生成有限元模型,最后可通过3D Iso Mesh运算器生成网格结果,还可对模型进行应力分析 。以下为该案例的具体做法:
(1)绘制一个长宽高分别为36米、24米、22米的长方体,并用Brep运算器将其拾取进GH中,由3D boundary Region运算器将该长方体定义为设计环境,并将该部分命名为“边界范围” 。

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(2)在适当位置,绘制两个长方体,并用Brep运算器将其拾取进GH中,为了区分组件,可将这两个长方体通过Custom Preview运算器赋予绿色 。由3D Support Region运算器将这两个长方体定义为支撑结构,并将MillC_StockSupportType运算器赋予3D Support Region运算器的SUP输入端,提供有限元分析的材料定义 。最后将该部分命名为“支撑结构” 。
(5)通过Topostruct 3D model运算器将定义的全部组件进行合并,其XR输入端赋予22的分辨率数值,生成有限元模型结果 。
(6)将Topostruct 3D model运算器的输出数据赋予Topostruct 3D solver运算器的FE输入端,并将O、S、T三个输入端分别赋予以下数值:4、0.13、0.257 。其O输入端为优化迭代次数、S输入端为圆滑系数,T输入端为优化结果的密度百分比 。
(7)将Topostruct 3D solver运算器的FE和maxu输出端数据分别赋予3D Iso Mesh运算器的FE和D输入端,并将其Iso输入端赋予数据0.33,其输出数据为经过拓扑优化后的网格结果 。
右键单击3D Iso Mesh运算器,可选择不同模式下的显示结果,包含STIFFNESS_FACTOR(刚度系数)、VONMISES _STRESS(等效应力)、PRINCIPAL_STRESS(主应力)、DEFLECTION(位移应力),该案例使用的显示结果为VONMISES _STRESS 。

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