论文题目：铸钢分叉节点的拓扑优化设计与3D打印制造研究
摘要：随着现代建筑科技水平的不断提高,大跨度空间结构体系也日趋复杂,部分节点处杆件相贯较多,焊接连接不便且残余应力大。铸钢分叉节点由于其整体浇注成型的技术特点,可对节点分管数量,分叉角度和尺寸进行精确控制,实现节点光滑且美观的外形,同时将施工中的焊接部位转移至节点区外,消除了结构在多杆件汇交区域焊接时产生的残余应力,从而降低了施工难度,提升施工速度与施工质量。然而,现阶段铸钢分叉节点的优化设计和生产制造技术水平仍然较低。节点设计优化不足,在杆件汇交处存在应力集中现象,且节点自重大,用钢量多,生产运输成本高;节点生产制造技术落后,仍采用制造芯模-砂箱-熔钢浇注-热处理打磨等步骤的传统工艺,工序繁琐,制造精度低、工期长、成本高、节能和环保效益低下,已难以满足现代工程实践的需求。针对铸钢分叉节点设计及制造过程中存在的上述问题,本文以铸钢双分叉、三分叉、四分叉节点为对象,采用拓扑优化的方法对铸钢分叉节点的最优拓扑形态进行了研究,并利用3D打印制造技术探寻了铸钢分叉节点智能制造方式。首先,利用Solid Works三维建模软件建立原始的铸钢分叉节点模型,并应用Hyper Works有限元软件中的Opti Struct求解器对铸钢分叉节点进行了拓扑优化,讨论了惩罚因子、棋盘格控制等优化参数对优化结果的影响,得到了优化后模型的单元密度云图与单元等值面图,后经多次对比调试得到铸钢分叉节点的最优拓扑模型。将拓扑优化节点与原始铸钢分叉节点进行力学性能的分析比较,证明了拓扑优化方法可以在保持节点良好力学性能的同时显著降低铸钢节点的自重,提高其设计优化水平。将已得到的最优拓扑优化节点与工程中常用的焊接空心球节点和树状节点进行对比,得出了拓扑优化节点受力性能最为优良,利用拓扑优化的方法寻找铸钢节点的最佳形态是有效可行的结论。然后,基于拓扑优化节点的模型特征人工设计了新型节点,对其进行力学性能分析,并与拓扑优化节点作比较,探索了未来节点的新设计思路。而后选取两种实际工程中应用的节点作为算例,应用拓扑优化方法对其进行了找形设计,并将优化后的节点与原节点进行了力学性能比较,得出优化后的节点较原始节点质量减轻,力学性能提升,再次印证了利用拓扑优化原理找寻结构的最优模型的合理性与可行性。最后,讨论了在建筑领域3D打印的技术及设备概况,应用FDM技术、SLM技术以及快速铸造工艺等3D打印制造方式制造出了拓扑优化节点的缩尺模型。与传统制造工艺相比,3D打印制造逐层打印的技术特性不受模型外观的任何限制,十分适合制造拥有复杂外形的拓扑优化节点。将3D打印技术应用于节点制造,不仅可以显著提高生产速度、改善制造精度,还可以毫无困难地解决拓扑优化形成的复杂形体采用传统工艺难以制造的关键问题。
关键词：铸钢分叉节点;拓扑优化;节点设计;3D打印;智能制造
学科专业：土木工程
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
1.2 铸钢分叉节点的发展和研究现状
1.2.1 铸钢材料方面
1.2.2 有限元分析技术
1.2.3 受力性能与承载力计算公式
1.2.4 铸钢节点试验
1.2.5 生产制造技术
1.2.6 现阶段研究的不足之处
1.3 拓扑优化
1.3.1 拓扑优化的概念
1.3.2 拓扑优化的分类
1.3.3 离散体结构拓扑优化的研究现状
1.3.4 连续体结构拓扑优化的研究现状
1.3.5 拓扑优化在建筑结构领域中的应用
1.4 3D打印制造技术
1.4.1 3D打印制造技术的发展和研究现状
1.4.2 3D打印制造技术在建筑领域中的应用
1.5 本文的主要研究内容
1.6 本文的特色与创新之处
第二章 铸钢分叉节点的拓扑优化理论及建模
2.1 拓扑优化理论
2.1.1 变密度法中的SIMP插值模型
2.1.2 Opti Struct解算器
2.1.3 Opti Struct求解理论
2.2 拓扑优化数学模型
2.3 节点原始模型的建立
2.3.1 模型参数
2.3.2 前处理
2.4 原始节点模型有限元静力分析
2.5 本章小结
第三章 铸钢分叉节点的拓扑优化设计
3.1 拓扑优化参数设置
3.1.1 惩罚因子
3.1.2 棋盘格控制
3.2 拓扑优化设计
3.2.1 拓扑优化分析
3.2.2 单元密度静态分析
3.2.3 单元密度等值面分析
3.2.4 优化结果筛选
3.3 节点在其它工况作用下拓扑优化的讨论
3.4 本章小结
第四章 拓扑优化节点的力学性能分析
4.1 拓扑优化节点的静力分析
4.1.1 双分叉拓扑优化节点
4.1.2 三分叉拓扑优化节点
4.1.3 四分叉拓扑优化节点
4.2 拓扑优化节点与工程中常用节点力学性能比较
4.2.1 拓扑优化节点与焊接空心球节点的比较
4.2.2 拓扑优化节点与树状节点的比较
4.2.3 数据总结
4.3 基于拓扑优化节点的新型节点
4.4 拓扑优化设计在工程实践应用中的算例分析
4.4.1 半球状铸钢连接节点
4.4.2 树枝状铸钢连接节点
4.5 本章小结
第五章 铸钢分叉节点的3D打印制造
5.1 3D打印的技术分类及设备
5.1.1 高分子材料3D打印技术
5.1.2 金属3D打印技术
5.2 3D打印制造流程
5.3 3D打印参数
5.3.1 分层厚度
5.3.2 边缘厚度
5.3.3 填充密度
5.3.4 打印温度
5.3.5 打印速度
5.3.6 支撑方式
5.3.7 后处理工艺
5.4 新型快速铸造方式的探索
5.5 打印结果与讨论
5.6 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢