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Porous structures inspired by porcupine quill: multiscale design optimization approach

拓扑优化 组分(热力学) 结构工程 拓扑(电路) 梁(结构) 计算机科学 顺应机制 冯·米塞斯屈服准则 弯曲 有限元法 机械工程 工程类 热力学 电气工程 物理
作者
Tian Lan,Kate Fox,Phuong Tran
出处
期刊:Bioinspiration & Biomimetics [IOP Publishing]
卷期号:19 (4): 046001-046001 被引量:5
标识
DOI:10.1088/1748-3190/ad3ff5
摘要

This paper presents a novel approach for designing a freeform bending-resistant structure from the combination of explicit discrete component-based topology optimization (TO) and the porcupine quill-inspired features. To embed the porcupine quill's features into the TO formulations, the method involves constructing discrete components at various scales to imitate features including solid shell, stochastically distributed pores, and graded stiffeners. The components are iteratively updated, and the optimization process allows for the grading of quill-inspired features while achieving optimal structural compliance under bending loads. The proposed approach is demonstrated to be effective through the resolution of Messershmitt-Bolkow-Blohm (MBB) beam designs, parameterized studies of geometric parameters, and numerical validation of long-span and short-span quill-inspired beam designs. By examining the von Mises stress distribution, the study highlights the mitigation of material yielding at the shell region brought by the geometric features of porcupine quills, leading to the potential theory support for the bending resistance. The optimized MBB beams are manufactured using the material extrusion technique, and three-point bending tests are conducted to explore the failure mitigation capability of the quill-inspired beam under large deformation. Consequently, the study concludes that the proposed quill-inspired component-based TO approach can design a structure with excellent bending resistance according to the improved energy absorption as well as increased deformation after reaching 75% peak load.
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