English
簡(jiǎn)體中文
論文針對(duì)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在多軸增材制造中的“設(shè)計(jì)—制造脫節(jié)”問(wèn)題，提出了一套將結(jié)構(gòu)拓?fù)?、曲面切片以及纖維路徑三者協(xié)同優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，并通過(guò)5/3/2.5 軸打印與力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在失效載荷上相較兩階段方法提升33.1%。
論文標(biāo)題為“Neural Co-Optimization of Structural Topology, Manufacturable Layers, and Path Orientations for Fiber-Reinforced Composites”。
1研究目標(biāo)
提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算框架，用于同時(shí)優(yōu)化纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)拓?fù)洹⒖芍圃鞂雍吐窂椒较?。目?biāo)是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)各向異性強(qiáng)度，同時(shí)確保多軸3D打印的可制造性。
2核心方法
使用三個(gè)隱式神經(jīng)場(chǎng)表示幾何形狀、層序列和纖維方向。將設(shè)計(jì)目標(biāo)（如各向異性強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)體積）和制造約束（如機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制、層曲率、層厚度）直接整合到一個(gè)可微分的優(yōu)化過(guò)程中。通過(guò)將這些目標(biāo)作為損失函數(shù)，確保生成的復(fù)合材料具有優(yōu)化的機(jī)械強(qiáng)度和可制造性。
3創(chuàng)新點(diǎn)
同時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)拓?fù)?、層序列和路徑方向，避免了傳統(tǒng)兩階段方法的局限性。支持不同自由度的3D打印硬件（5軸、3軸、2.5軸），并能根據(jù)不同的機(jī)器運(yùn)動(dòng)自由度生成最優(yōu)結(jié)構(gòu)。引入Hoffman準(zhǔn)則評(píng)估復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度，確保材料在給定應(yīng)力下不發(fā)生失效。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)表明，相比順序優(yōu)化方法，所提出的方法能使復(fù)合材料的破壞載荷提升高達(dá)33.1%。驗(yàn)證了優(yōu)化后的模型在不同自由度下的制造可行性，并展示了顯著減少的屈服區(qū)域。
5技術(shù)貢獻(xiàn)
提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逆向設(shè)計(jì)框架，能夠同時(shí)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和制造過(guò)程。將復(fù)雜的制造約束（如運(yùn)動(dòng)自由度、碰撞避免、層厚度控制）直接融入優(yōu)化過(guò)程。解決了現(xiàn)有拓?fù)鋬?yōu)化方法中對(duì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造約束考慮不足的問(wèn)題。
6應(yīng)用領(lǐng)域
主要應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制造，特別是在需要輕量化和高性能機(jī)械性能的工程領(lǐng)域?？蔀槎噍S3D打印技術(shù)提供更精確的工具路徑規(guī)劃和層設(shè)計(jì)。
7總結(jié)
這篇論文通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架實(shí)現(xiàn)了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的聯(lián)合優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)方法中設(shè)計(jì)與制造分離的問(wèn)題，顯著提升了材料的機(jī)械性能和制造效率。