عنوان مقاله :
بررسي تئوري و تجربي سازه سلولي جديد با تخلخل هدفمند شعاعي ساخته‌شده به روش ساخت افزايشي و بهينه‌سازي خواص مكانيكي
عنوان به زبان ديگر :
New Additively Manufactured Cellular Lattice Structure; Theory and Experiment
پديد آورندگان :
مهتدي‌فر، نگار دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي - دانشكده مهندسي مكانيك - گروه مهندسي خودرو، تهران , عسگري، مسعود دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي - دانشكده مهندسي مكانيك - گروه مهندسي خودرو، تهران
كليدواژه :
مواد سلولي متخلخل , تخلخل گرادياني شعاعي , ساخت افزايشي , حل تحليلي , مدل‌سازي المان محدود , بهينه‌سازي چندهدفه
چكيده فارسي :
با توجه به پيشرفت‌هايي كه در تكنيك‌هاي ساخت افزودني صورت گرفته، امكان طراحي و توليد سازه‌هاي سلولي با هندسه‌هاي پيچيده با خواص مكانيكي مناسب و وزن كم فراهم آمده است و استفاده از مواد سلولي متخلخل در بسياري از زمينه‌ها در حال افزايش است. در پژوهش حاضر سازه استوانه‌اي نويني كه در راستاي شعاعي توزيع چگالي نسبي و خواص گرادياني قابل تنظيم دارد، با الهام از ساختار استخوان طراحي و معرفي شده است. سازه سلولي در 5لايه و از تكرار سلول واحد پايه چهاروجهي منتظم با الگوي مشخص در راستاي شعاعي، محيطي و محوري حاصل شده است. با استفاده از روابط تحليلي، خواص مكانيكي الاستيك سازه تعيين شده است. حل تئوري ارايه‌شده به‌كمك مدل‌سازي عددي و ساخت افزايشي نمونه پليمري به روش سنگ‌چاپ سه‌بعدي و آزمون آن صحه‌گذاري شده است. مقايسه نتايج بيان‌گر دقت مناسب حل تئوري است. همچنين اثر متغيرهاي هندسي طراحي شامل ارتفاع المان حجمي تكرارشونده، تعداد اضلاع چندضلعي آغازگر و قطر يال‌ها بر روي خواص مكانيكي سازه و توزيع آنها مطالعه شده است. با استفاده از الگوريتم‌هاي ژنتيك بهينه‌سازي تك‌هدفه و چندهدفه خواص الاستيك سازه انجام شده است. نتايج بهينه‌سازي تك‌هدفه در سازه‌هايي با تخلخل‌هاي 70، 75 و 80% به‌ترتيب بهبود 32/9، 35/92 و 35/68% مقدار مدول الاستيسيته بر جرم و افزايش 116/35، 96/48 و73/62% مقادير تنش تسليم بر جرم در همين تخلخل‌ها، نسبت به سازه مبنا با تخلخل‌هاي مشابه را نشان مي‌دهند. نتايج حاصل، بيان‌گر قابليت مناسب سازه براي ايجاد توزيع متغير خواص و تخلخل و پتانسيل كاربرد آن به‌عنوان بافت جايگزين استخوان مصنوعي است
چكيده لاتين :
Due to developments in additive manufacturing (AM) techniques, design and producing cellular
structures with complex topologies accompanied with appropriate mechanical properties and
lightweight have become possible and the application of cellular porous materials has been
increasing in various areas. In the current study, a novel cellular structure with adjustable
radially graded relative density and properties inspired by bone tissue structure is designed
and introduced. The cellular structure has five layers and is achieved by repeating a regular
four-sided unit-cell in radial, peripheral, and axial directions by a specific pattern. Next, using
analytical relations, the mechanical properties of the structure are derived. The obtained
theoretical solution is validated by numerical modeling and experimental test of a polymeric
specimen manufactured by SLA method. Comparison of the results shows good precision of
the theoretical solution. Furthermore, the effect of design parameters including the height of
representative volume element, the number of the sides of start shape, and radius of the struts
on mechanical properties and their distribution is studied. Using genetic algorithms singleobjective
and multi-objective optimization is performed on elastic properties of the structure.
The single-objective optimization results for structure with 70, 75, and 80% porosities led to
32.9, 35.92, and 35.68% improvement of elastic modulus to mass, respectively and 116.35,
96.48, and 73.62% increase of yield strength to mass at similar porosities compared to base
models with same porosities. The results show proper ability of the structure in creating
distribution of mechanical properties and porosity and its potential capability for use in bone
replacement applications
عنوان نشريه :
مهندسي مكانيك مدرس
