Inverse design of three-dimensional fiber reinforced composites with spatially-varying fiber size and orientation using multiscale topology optimization

拓扑优化 拓扑(电路) 均质化(气候) 材料科学 纤维 数学 结构工程 复合材料 有限元法 工程类 生态学 生物 组合数学 生物多样性
作者
Taehoon Jung,Jae‐Wook Lee,Tsuyoshi Nomura,Ercan M. Dede
出处
期刊:Composite Structures [Elsevier BV]
卷期号:279: 114768-114768 被引量:37
标识
DOI:10.1016/j.compstruct.2021.114768
摘要

This paper presents three-dimensional topology optimization for the inverse design of unidirectional fiber reinforced composite (FRC) structures. Specifically, a multiscale topology optimization scheme is proposed for the co-design of the composite macrostructure, spatially-varying fiber size and fiber orientation. A FRC with spatially tailored fiber distribution may perform better than a conventional FRC with a fixed fiber structure. A composite macrostructure is designed using the well-established three-field density approach based on Helmholtz filtering and regularized Heaviside function. For the design of spatially-varying fiber size and orientation, a homogenization-based multiscale approach using an orientation tensor variable is proposed. As a post-processing procedure, optimized fiber microstructures are restored at a macroscopic scale. For this, a projection based de-homogenization scheme is proposed for the restoration of a circular fiber structure. The effectiveness of the proposed design scheme is validated through three design examples for compliance minimization and compliant mechanism problems.
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