Optimización topológica y evaluación de eficiencia de estructuras compuestas reforzadas con fibras cortas considerando anisotropía
Autores: Kurkin, Evgenii; Espinosa Barcenas, Oscar Ulises; Kishov, Evgenii; Lukyanov, Oleg
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Optimización topológica y evaluación de eficiencia de estructuras compuestas reforzadas con fibras cortas considerando anisotropía
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería de Sistemas
Palabras clave
Metodología
Optimización topológica
Tensor de orientación de fibra
Propiedades de material anisotrópico
Eficiencia de peso
Análisis estructural
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 19
Citaciones: Sin citaciones
El estudio actual tiene como objetivo desarrollar una metodología para obtener estructuras óptimas en topología hechas de polímeros reforzados con fibras cortas. Cada iteración de la optimización de topología implica dos pasos consecutivos: el primero es una simulación del proceso de moldeo por inyección para obtener el tensor de orientación de las fibras, y el segundo es un análisis estructural con propiedades de material anisotrópico. Contabilizar el proceso de moldeo durante las iteraciones internas de la optimización de topología hace posible mejorar la eficiencia de peso de las estructuras, un aspecto crucial, especialmente en la industria aeroespacial. La anisotropía se considera a través del tensor de orientación de las fibras, que se modela resolviendo las ecuaciones de moldeo plástico para fluidos no newtonianos y luego se introduce como una variable en la matriz de rigidez durante el análisis estructural. Se empleó un modelo de material anisotrópico lineal en la optimización de topología. Para la verificación, se utilizó un modelo de material elastoplástico no lineal basado en una ley de endurecimiento exponencial y lineal. Se aborda la evaluación de eficiencia de peso en estructuras compuestas por materiales compuestos reforzados con fibras cortas utilizando un criterio adimensional. Se realizó una verificación experimental para confirmar la validez de la metodología desarrollada. La evidencia ilustra que considerar la anisotropía conduce a estructuras más rígidas, y los elementos estructurales deben estar orientados en la dirección de máxima rigidez. El factor de carga se expresa en términos de criterios de falla. La metodología multidisciplinaria presentada puede utilizarse para mejorar la calidad del diseño de estructuras hechas de compuestos reforzados con fibras cortas (SFRC), donde la alta rigidez, alta resistencia y masa mínima son las características estructurales primarias requeridas.
Descripción
El estudio actual tiene como objetivo desarrollar una metodología para obtener estructuras óptimas en topología hechas de polímeros reforzados con fibras cortas. Cada iteración de la optimización de topología implica dos pasos consecutivos: el primero es una simulación del proceso de moldeo por inyección para obtener el tensor de orientación de las fibras, y el segundo es un análisis estructural con propiedades de material anisotrópico. Contabilizar el proceso de moldeo durante las iteraciones internas de la optimización de topología hace posible mejorar la eficiencia de peso de las estructuras, un aspecto crucial, especialmente en la industria aeroespacial. La anisotropía se considera a través del tensor de orientación de las fibras, que se modela resolviendo las ecuaciones de moldeo plástico para fluidos no newtonianos y luego se introduce como una variable en la matriz de rigidez durante el análisis estructural. Se empleó un modelo de material anisotrópico lineal en la optimización de topología. Para la verificación, se utilizó un modelo de material elastoplástico no lineal basado en una ley de endurecimiento exponencial y lineal. Se aborda la evaluación de eficiencia de peso en estructuras compuestas por materiales compuestos reforzados con fibras cortas utilizando un criterio adimensional. Se realizó una verificación experimental para confirmar la validez de la metodología desarrollada. La evidencia ilustra que considerar la anisotropía conduce a estructuras más rígidas, y los elementos estructurales deben estar orientados en la dirección de máxima rigidez. El factor de carga se expresa en términos de criterios de falla. La metodología multidisciplinaria presentada puede utilizarse para mejorar la calidad del diseño de estructuras hechas de compuestos reforzados con fibras cortas (SFRC), donde la alta rigidez, alta resistencia y masa mínima son las características estructurales primarias requeridas.