The advancements in additive manufacturing (AM) technology have allowed for the production of geometrically complex parts with customizable designs. This versatility benefits large-scale space-frame structures, as the individual design of each structural node can be tailored to meet specific mechanical and other functional requirements. To this end, however, the design and analysis of such space-frames with distinct structural nodes needs to be highly automated. A critical aspect in this context is automated integration of the local 3D features into the 1D large-scale models. In the present work, a two-scale modeling approach is developed to improve the design and linear-elastic analysis of space frames with complex additively manufactured nodes. The mechanical characteristics of the 3D nodes are numerically reduced through an automated dimensional reduction process based on the Finite Cell Method (FCM) and substructuring. The reduced stiffness quantities are assembled in the large-scale 1D model which, in turn, enables efficient structural analysis. The response of the 1D model is passed on to the local model, enabling fully resolved 3D linear-elastic analysis. The proposed approach is numerically verified on a simplified beam example. Furthermore, the workflow is demonstrated on a tree canopy structure with additively manufactured nodes with bolted connections. The form of the large-scale structure is found based on the Combinatorial Equilibrium Modeling framework, and the different designs of the local structural nodes are based on generative exploration of the design space. It is demonstrated that the proposed methodology effectively automates the design and analysis of space-frame structures with complex, distinct structural nodes.


翻译:添加剂制造技术的进步使得能够通过定制设计来生产具有可定制设计的几何复杂部件。这种多功能性有利于大型空间框架结构,因为每个结构节点的单个设计可以根据具体的机械和其他功能要求加以定制。但是,为此,需要高度自动化地设计和分析具有独特结构节点的这种空间框架。这方面的一个关键方面是将本地3D特性自动纳入1D大型模型。在目前的工作中,开发了一种双尺度模型分析方法,以改进设计和对具有复杂添加剂设计节点的空间框架的线性弹性分析。3D节点的机械性能通过基于精密细胞方法(FCM)和亚基结构结构的自动尺寸削减过程而从数量上加以缩小。这种降低的僵硬性数量在大型1D模型中组装成,这反过来又能够进行高效的结构分析。1D模型的响应被传递到本地模型,从而能够完全解决3D线性弹性分析。拟议的3D节点空间框架的机械性分析方法是数字化的,其结构结构结构结构结构结构以简化的方式加以验证。

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