【摘 要】
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随着大跨空间结构的广泛应用和工程师们对新型结构的不断追求,空间节点的样式也随之不断革新。而力与形的完美组合,将是空间结构形式在艺术表现上的最高境界。拓扑优化方法旨在一定目标下寻找结构材料的最优分布位置,在设计时往往能够设计出造型奇特而满足目标需求的结构,将其应用于空间结构节点的设计上,在一定程度上能够解放设计师的想象空间,设计出造型丰富的空间结构。同时,当前增材制造技术的不断突破,也使得拓扑优化后
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随着大跨空间结构的广泛应用和工程师们对新型结构的不断追求,空间节点的样式也随之不断革新。而力与形的完美组合,将是空间结构形式在艺术表现上的最高境界。拓扑优化方法旨在一定目标下寻找结构材料的最优分布位置,在设计时往往能够设计出造型奇特而满足目标需求的结构,将其应用于空间结构节点的设计上,在一定程度上能够解放设计师的想象空间,设计出造型丰富的空间结构。同时,当前增材制造技术的不断突破,也使得拓扑优化后的复杂节点也有了制造的可能。当前增材制造和拓扑优化在空间节点的应用上还需要不断探索,除了优化方法的应用研究,还需要考虑增材制造技术所制造产品的性能问题,节点优化设计后能否制造,以及制造和设计的性能是否一致,都是亟待解决的问题。为此,本文针对空间节点探索了算法编程、有限元求解以及增材制造协同的拓扑优化-制造一体化集成方法,研究了当前增材制造技术在打印方向上出现材料各向异性的问题,以及考虑自支撑制造约束的优化方法,为空间结构节点找形提供一套高效、可行的创新解决方案。主要研究内容和结论如下:（1）基于双向渐进结构优化方法（BESO）,探索了空间节点优化-增材制造的全过程方法。与商用有限元软件自带的变密度法优化结果对比之下,该软件集成方法所优化的剪力工况空间节点模型最大应力能够降低9.8%,最大变形能够降低23.2%;组合工况空间节点模型最大应力能够降低21.1%,最大变形能够降低33.6%,性能明显提升。（2）本文基于工程弹性常数研究了材料各向异性对结构的影响,研究发现增材制造试件各个方向的力学性能存在差异,不同方向的最大最小弹性模量相差24.1%;屈服强度相差20.9%,存在较明显的各向异性。将各向异性属性代入优化求解,计算得到,材料的各向异性属性会显著改变优化结果的造型;存在最大刚度的优化结果;不同结果的最大最小刚度相差15.1%。（3）研究了结构的自支撑方法,通过对结构0-1显式骨骼的表征,结合三角形边界滤波器和三角锥边界滤波器,使得添加的支撑在迭代中能够保留。本文对空间节点算例进行了优化应用,经过支撑算法计算后得到的优化结果,最大变形不超过4.1%;最大体积变化不超过3.1%。性能牺牲较少,优化结果基本能够达到自支撑效果,在成型试验中表现较好。
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