Sperimentazione di una connessione strutturale in metallo ottimizzata per topologia sotto vincoli di colata: ricerca di Andrew Novillo del MIT

La tesi del MIT esplora l’ottimizzazione della topologia per la stampa 3D in edilizia e ingegneria civile

Andrew Novillo, scrivendo la sua tesi per il Dipartimento di Ingegneria Civile e Meccanica presso il MIT, esplora il metallo ottimizzato per topologia nella recente pubblicazione ” Sperimentazione di una connessione strutturale in metallo ottimizzata per topologia sotto vincoli di colata “. Mentre l’ottimizzazione della topologia è ancora nuova nelle costruzioni e nell’ingegneria civile, lo scopo dello studio è quello di “colmare il divario tra le discipline” con un design dell’edificio, una tecnica efficiente per la fabbricazione e test di carico completi.

Emergendo ed evolvendosi dalle teorie create da Galileo, la progettazione e l’ottimizzazione del fascio non sono certamente concetti o esercizi nuovi; tuttavia, oggi l’ottimizzazione è generalmente gestita da strumenti software ad alta tecnologia che consentono agli ingegneri di progettare strutture sostanziali e sofisticate.

L’ottimizzazione della topologia viene anche utilizzata nelle applicazioni per l’industria automobilistica e altri tipi di ingegneria, per includere l’aerospaziale.

Per questo studio, Novillo ha utilizzato un algoritmo basato sul gradiente per creare una complessa connessione di capriata del tetto (dal Parlamento scozzese a Edimburgo). Questo esempio funge da esempio unico e “non straordinario”, con una connessione che può essere semplice per quanto riguarda la simmetria, ma complessa nell’angolarità per entrambi i piani.

Per l’ottimizzazione, il carico, lo spazio di progettazione e i confini devono essere considerati — con l’uso di un algoritmo che lavora verso un elenco di obiettivi specifici per includere esempi tipici come:

rigidezza
Massa minima
Dislocamento massimo
I vincoli possono comportare:

Percentuale di massa rimossa
Deformazione massima
Spessore minimo
Mentre finora ci sono solo alcuni esempi di ottimizzazione della topologia nell’ingegneria civile, altri ricercatori hanno sottolineato in precedenza che dovrebbe essere presente “all’inizio del processo di progettazione” mentre è ancora possibile tanta flessibilità; altri hanno sottolineato che tale ottimizzazione offre promesse dal livello concettuale per la progettazione di geometrie di strutture. Ulteriori studi si sono concentrati su “applicazioni su scala di componenti” come l’ottimizzazione di modelli di montanti e mensole e cantilever per grattacieli.

Interno, esterno e giunti compongono i diversi tipi di connessioni strutturali utilizzate nella progettazione e costruzione di edifici:

“Le connessioni interne sono le singole parti di un assieme che aiutano a costruire un’intera connessione esterna. Le connessioni esterne sono i pezzi che collegano tutti gli altri elementi come travi, cavi e colonne insieme in un edificio. Per progetti più grandi, a volte un membro può essere troppo grande per il trasporto e può richiedere di essere suddiviso in pezzi più piccoli. Questa istanza richiederebbe una connessione di giunzione, che collega due o più parti di un elemento continuo “, spiega Novillo.

Per questo studio, l’autore si è concentrato sulla creazione di una connessione esterna con quattro travi collegate e quattro cavi in ​​un nodo, affermando che non ci sono strutture costruite utilizzando connessioni stampate in 3D, sebbene la tecnologia di stampa 3D possa essere utilizzata per la fusione, nella fabbricazione di stampi .

“L’ottimizzazione della topologia ha iniziato a farsi strada nel settore dell’edilizia a causa della mancanza di test condotti per valutarne le prestazioni”, afferma Novillo.

I ricercatori hanno utilizzato Abaqus per questo studio, il software commerciale preferito grazie all’analisi degli elementi finiti (FEA) integrata e Tosca con ottimizzazione della topologia, utilizzato in un “approccio basato sulla densità”. Alla fine, Novillo ha osservato che l’ottimizzazione e l’analisi hanno mostrato non solo significativi risparmi di materiale, ma hanno anche offerto miglioramenti nelle prestazioni.

“I risultati dell’esperimento hanno visto la connessione originale come il campione più forte per i massimi carichi, rigidità e conformità. Le connessioni ottimizzate hanno eseguito solo circa il 12,5% di quanto previsto per il carico finale, mentre la connessione originale ha eseguito circa il 50% di quanto previsto. Tuttavia, potrebbe esserci una rigidità proporzionale tra i campioni ottimizzati, poiché il carico finale era direttamente proporzionale alla quantità di volume rimosso ”, ha concluso Novillo. “La conformità delle connessioni ottimizzate è stata di più ordini di grandezza maggiore per la sperimentazione rispetto al modello Abaqus, mentre la connessione originale era solo quattro volte maggiore. Nel complesso, la connessione originale era più allineata all’analisi Abaqus rispetto alle connessioni ottimizzate.

“Questo studio mostra quanto sia sensibile l’ottimizzazione quando si stabiliscono le proprietà del materiale, le condizioni al contorno, il processo di colata e i vincoli di volume corretti. Questo studio fornisce anche la prima iterazione del processo di progettazione per la creazione di una connessione ottimizzata per topologia che si comporta allo stesso modo nella sperimentazione fisica rispetto a quella computazionale. Le lezioni possono essere tratte da questo e applicate alla prossima iterazione di questo progetto. “

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