Optimal structures for failure resistance under impact
Optimal structures for failure resistance under impact
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冲击下抗失效的最佳结构
DOI：
10.1016/j.jmps.2022.105172
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发表时间：
2023
影响因子：
5.3
通讯作者：
Akerson, Andrew
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Akerson, Andrew
结构冲击的复杂物理特性和众多失效模式在设计抗冲击性时带来了挑战。虽然层状材料的简单几何形状是传统的，但3D打印和增材制造技术的进步现在已经使定制的几何形状或集成的多材料结构成为可能。在这里，我们应用基于梯度的拓扑优化设计这样的结构。首先，我们建立了一个变分模型的弹塑性材料富含梯度相场损伤，并提出了一种新的方法来有效地计算其瞬态动力学时间演化。我们考虑一个有限元离散与显式更新的位移。损伤场通过增广拉格朗日方程求解，将非线性和非局部性之间的算子耦合分开。通过伴随方法计算该轨迹上的灵敏度，并且我们开发了一种数值方法来求解所得到的伴随动力系统。我们证明了这一提法，通过研究爆炸荷载下的二维固体-空隙结构的优化设计。然后，我们探讨了强度和韧性之间的权衡，在设计的抗剥落结构组成的两种材料的不同性能进行动态冲击。
The complex physics and numerous failure modes of structural impact creates challenges when designing for impact resistance. While simple geometries of layered material are conventional, advances in 3D printing and additive manufacturing techniques have now made tailored geometries or integrated multi-material structures achievable. Here, we apply gradient-based topology optimization to the design of such structures. We start by constructing a variational model of an elastic–plastic material enriched with gradient phase-field damage, and present a novel method to efficiently compute its transient dynamic time evolution. We consider a finite element discretization with explicit updates for the displacements. The damage field is solved through an augmented Lagrangian formulation, splitting the operator coupling between the nonlinearity and non-locality. Sensitivities over this trajectory are computed through the adjoint method, and we develop a numerical method to solve the resulting adjoint dynamical system. We demonstrate this formulation by studying the optimal design of 2D solid–void structures undergoing blast loading. Then, we explore the trade-offs between strength and toughness in the design of a spall-resistant structure composed of two materials of differing properties undergoing dynamic impact.
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DOI：
--
发表时间：
2005
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--
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通讯作者：
A. Mielke
DOI：
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发表时间：
1999-04
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通讯作者：
M. Ortiz;L. Stainier
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M. Wallin;Viktor Jönsson;Eric Wingren
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