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夹芯结构由于其优越的比强度、比刚度和多功能特性，在航空航天和汽车工业中得到了广泛的应用。然而，复杂的失效行为，如芯面板分层、面断裂、面屈曲和芯剪切失效，往往导致夹层板的成形性差，从而限制了其在平板类型上的应用。传统的三维夹层结构的制造，往往将板材和芯分别形成弯曲形状，然后将它们连接在一起，导致生产成本高，制造效率低。夹芯板的设计，可以通过传统的板材成型工艺来实现，如弯曲或拉，可能是扩大应用范围到复杂三维形状的关键。为此，金属-聚合物-金属夹芯结构的成形性得到了广泛的研究。 为了进一步提高比刚度和强度方面的结构效率，设计了具有空心三维核心的夹芯板。与2D芯夹芯板相比，3D空芯夹芯板更难形成，因为芯板剪切强度不足，附着点间隙大，更容易引起芯板剪切破坏和面屈曲。 虽然较多研究中设计的夹芯板在一定程度上显示出良好的弯曲性或形状，但其设计主要基于经验参数或形状优化，因此结构拓扑可能不是最优的。此外，在设计过程中只考虑了夹芯板的成形性，忽略了夹芯板的弯曲刚度。与经验参数或形状设计不同，拓扑优化是一种智能结构设计策略，在给定的边界约束和目标函数下，可以在设计空间中生成最优的材料分布。 近年来，随着增材制造技术的快速发展，实际上可以生成基于拓扑优化生成的复杂结构，因此拓扑优化和增材制造的集成已成为设计轻质结构、热交换器、振动结构、生物医学设备、磁性执行器和软机器人的有力工具。 基于多级遗传算法的密度拓扑优化设计图 近日，东京大学的Zhang Jingwei（第一作者兼通讯作者）及其团队，在《Composites Part B》上发表了题为“Density-based topology optimization integrated with genetic algorithm for optimizing formability and bending stiffness of 3D printed CFRP core sandwich sheets”的文章，为了将夹芯板的应用范围从传统的二维平板类型扩展到三维复杂形状，同时提高比弯曲刚度，作者提出了一种新的拓扑优化策略，可以优化弯曲刚度。在该方法中，将基于密度法的拓扑优化与多阶段遗传算法(GA)相结合，优化了夹芯板芯结构的可重复单元格。采用了两种优化方案，一种优化可成形性，另一种优化弯曲刚度，同时满足潜在的失效约束。从理论上推导了芯剪切失效和面屈曲的失效约束，从数学上表述了拓扑优化问题，利用自适应多阶段遗传算法解决了拓扑优化问题，从而增加了产生具有物理意义和可增材制造的拓扑的可能性。 图 1 夹芯板在弯曲过程中的潜在失效模式 图 2 弯曲过程中夹芯板的自由体图 图 3 FEM模型的设置 图 4 优化案例1和2的流程图 图 5 二维和三维模型从最优拓扑转换为增材制造 图 6 案例1最优拓扑和转换二维模型的应力分布 图7 案例2最优拓扑和二维模型在弯曲曲率为0.001rad/mm，剪切应变为5%时的应力分布 图 8 增材制造的形状及方向
图 9 案例1中相对密度为50%的三点弯曲实验和模拟中的变形过程
图 10 案例2中相对密度为50%的三点弯曲实验和模拟中的变形过程
图 11 三点弯曲特性：(a)荷载位移曲线；(b)比弯曲刚度和吸收能量 为了进行力学性能和成形性的实验评价，在体积分数为50%和62.5%的约束下，最终最优拓扑采用碳纤维增强尼龙增材制造。文章比较了两种优化案例得到的夹芯拓扑结构，芯密度为50%和62.5%的弯曲刚度分别提高了41.58%和41.49%，能量吸收能力分别提高了13.60%和29.40%。L弯曲和拉伸弯曲试验表明，提高了拓扑优化的夹芯板的成形性。该方法能够设计出具有提高弯曲刚度的夹芯板，有望扩大具有更好力学性能的夹芯板的应用范围。 原始文献：Zhang Jingwei, Yanagimoto Jun.Density-based topology optimization integrated with genetic algorithm for optimizing formability and bending stiffness of 3D printed CFRP core sandwich sheets[J].Composites Part B，2021，225：109248. |
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