張偉宏院士チーム：積層造形格子の動的性能のための可変断面梁の修正方法

出典: 航空工学の進歩

先進的な航空宇宙構造設計の分野における積層造形格子構造の応用はますます広範になってきており、大規模な格子構造の静的および動的性能の高精度かつ効率的なシミュレーション解析が緊急に必要とされています。積層造形格子構造における可変断面梁の補正のためのシミュレーション解析法を提案する。3Dプリント格子構造の動的応答に基づいて、可変断面梁ユニットの幾何学的パラメータの逆問題モデルを構築し、解決する。異なるロッド径（直径1.00〜2.00 mm）の格子構造に対して、それぞれ可変断面梁パラメータの逆問題キャリブレーションを実行する。ロッド径に応じて変化する可変断面梁の幾何学的パラメータの補間モデルを確立し、異なるロッド径と勾配格子の格子構造に対して可変断面梁の幾何学的パラメータの補間モデルの有効性を検証する。本論文で構築した積層造形ラティス構造の可変断面梁ユニットのシミュレーション解析モデルは、ソリッドユニットモデルと比較して、同じ精度での動的性能解析の効率が大幅に向上し、複雑な勾配ラティス構造の動的最適化設計に効率的で正確なモデル基盤を提供することが期待されます。

航空宇宙分野では、格子構造設計と積層造形が、その極めて高い設計・製造の自由度から広く注目を集めています。格子構造は軽量、高比剛性、遮音性、断熱性、耐衝撃性などの優れた機械的特性を備えており、航空宇宙構造物の軽量化、高性能化の開発にますます広く利用されるようになっています。積層造形は、層ごとに材料を堆積させるプロセスであり、格子などの複雑な中空部品を効率的に製造するのに特に適しています。両者の有機的な統合は、航空宇宙構造物の性能向上、軽量化と迅速な設計・製造の実現にとって大きな意義を持ちます。

積層造形格子構造の場合、単位セルサイズと格子構造の特性サイズとの差が大きいため、ソリッドユニットを使用したシミュレーション解析モデルでは計算コストが高く、時間がかかるため、エンジニアリングシミュレーション解析と構造設計の効率向上が著しく制限されます。この目的のために、研究者らは数値均質化法に基づく格子構造の等価モデリング法を提案した。この方法は解析効率を大幅に向上させたが、主に均一に充填された周期的な格子構造に適している。しかし、トポロジー最適化技術と構造バイオニック設計の継続的な発展により、現在のエンジニアリングラティス構造はますます顕著な勾配特性を示しており、そのような構造の静的および動的性能の高精度で効率的な分析の必要性がますます緊急になっています。この目的のために、格子構造の効率的な解析を実行するために梁要素の使用が研究されてきました。 Egan らは、格子単位セルのレベルで梁の直径と単位セルのサイズ比を調整し、弾性係数やせん断係数などの格子単位セルの機械的特性を制御して、固体単位セルモデルの材料特性と一致し、静的シミュレーション解析における梁ユニットの誤差を修正しました。Meng らは、格子構造のクロスノード近くの材料蓄積現象に基づいて、L et al。ビームの直径、およびBCC格子構造に対する準静的圧縮と衝撃シミュレーションを使用しました実験的なBCC格子構造の概念。ノードでの半径を持つ剛性球体を追加し、4つの異なるユニットセル構造を修正し、圧縮実験を介したメソッドの精度を検証することにより、実験的なBCC格子構造。上記の研究では、積層造形格子構造の有限要素モデル修正方法について、さまざまなモデリング角度から研究を行ってきました。しかし、積層造形特有の成形プロセスによって生じる格子の内部欠陥やノードでの材料蓄積は、可変断面梁ユニットモデルと非常によく一致しており、他のいくつかのモデリング方法よりも物理的に意味があります。

一方、上記の研究はいずれもラティス構造の静力学または準静力学性能のシミュレーション精度に基づいて可変断面梁モデルの修正を行っているが、構造の動的応答を中心とした対応する梁ユニット修正方法についての研究はまだ不足している。本論文では、積層造形プロセスにおける格子ノード領域での材料蓄積現象と均一断面梁ユニットモデルの解析誤差に焦点を当て、可変断面梁ユニットに基づく格子構造の動的性能のシミュレーション補正方法を提案する。逆問題解決フレームワークを採用し、大域収束移動漸近線法（GCMMA）と組み合わせることで、梁要素計算の高効率性を維持しながら、梁要素に基づくラティス構造の有限要素モデルの解析精度を向上させ、ラティス構造の最適化設計に、より効率的で正確な構造性能解析手法を提供します。

この記事のビュー:

1) 可変断面梁要素に基づく確立された格子構造動力学シミュレーションモデルは、高い解析精度を備えています。振動スイープ試験結果と比較すると、一次共振周波数のシミュレーション誤差は、均一断面梁ユニットモデルの 30% から 8% 未満に減少します。

2) 可変断面梁要素に基づく格子構造動力学シミュレーションモデルのシミュレーション効率が大幅に向上しました。この例のラティス構造では、解析計算時間がソリッド要素モデルの 1500 秒から 50 秒に短縮されます。

3) 逆問題解決と校正により得られた格子構造可変断面梁のパラメータ補間モデルは高い適応性を有する。異なるロッド直径と構造サイズを持つ周期格子と勾配格子に適用された動的性能シミュレーションは、高い計算精度を達成しており、クロススケール格子構造の機能勾配最適化設計にさらに役立つことが期待されます。

著者について:

Zhu Xi 氏は、ノースウェスタン工科大学機械電気工学部の修士課程の学生です。彼の主な研究分野は、積層造形法で製造された格子構造の動的特性の研究です。

孟亮氏は、西北工業大学の准教授および博士課程の指導者であり、中国航空航行学会複合材料支部の会員、および中国機械工学学会機械設計支部の会員です。長年、積層造形のための航空宇宙構造物の軽量設計に関する基礎研究および工学応用研究に従事。彼は、主要な防衛モデルに関する 5 つの国家プロジェクトと 7 つの事前研究プロジェクトを主導し、30 を超える学術論文を発表し、10 件を超える国家発明特許を取得しました。この成果は陝西省自然科学一等賞を含む省および省庁の賞を4つ受賞した。中国科学技術協会の若手人材支援プロジェクト、西北工業大学の「飛翔する星」に選ばれ、SCIジャーナルADESとC＆Sの編集委員に招かれ、「航空工学の進歩」や「航空エンジン」などいくつかの国内ジャーナルの若手編集委員を務めた。

チーム紹介:
中国科学院の張衛紅院士が率いる航空宇宙構造技術革新チーム。当チームは長年にわたり、わが国の航空宇宙構造技術の重要課題に取り組んでおり、航空宇宙の専門人材の育成に尽力しています。中国で最も早く位相最適化設計を実施した研究チームの一つです。20年以上にわたり航空宇宙の先進設計・製造技術分野に深く携わり、基礎研究で優れた成果を上げています。国家自然科学賞2等賞1回、国家技術発明賞2等賞1回、陝西科学技術賞1等賞を含む省・省級賞4回を受賞しています。科学技術革新の成果は、我が国の航空、宇宙、防衛分野の20社以上の企業や機関に成功裏に応用され、顕著な応用効果を発揮し、主要な航空宇宙モデルの開発における構造最適化設計と製造の問題を解決し、我が国の航空宇宙科学技術の発展を強力にサポートしました。

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