We introduce a computational framework for the topology optimization of cellular structures with spatially varying architecture, which is applied to functionally graded truss lattices under quasistatic loading. We make use of a first-order homogenization approach, which replaces the discrete truss by an effective continuum description to be treated by finite elements in a macroscale boundary value problem. By defining the local truss architecture through a set of Bravais vectors, we formulate the optimization problem with regards to the spatially varying basis vectors and demonstrate its feasibility and performance through a series of benchmark problems in 2D (though the method is sufficiently general to also apply in 3D, as discussed). Both the displacement field and the topology are continuously varying unknown fields on the macroscale, and a regularization is included for well-posedness. We argue that prior solutions obtained from aligning trusses along the directions of principal stresses are included as a special case. The outlined approach results in heterogeneous truss architectures with a smoothly varying unit cell, enabling easy fabrication with a tunable length scale (the latter avoiding the ill-posedness stemming from classical nonconvex methods without an intrinsic length scale).


翻译:我们采用一个计算框架来优化具有空间差异结构的细胞结构的地形优化,这一框架适用于在准静态载荷下功能分级的 trus lattices 。我们采用一阶同质化方法,用一个有效的连续描述取代离散的 trus,在宏观边界值问题中用有限的元素处理。我们通过一组Bravais矢量来界定当地Truss结构,从而在空间差异基矢量方面提出优化问题,并通过2D的一系列基准问题(虽然该方法相当一般,在3D中也适用)来表明其可行性和性能。在宏观尺度上,离位字段和表层学都持续变化未知的字段,并纳入一种正规化,以保持稳妥妥妥。我们争辩说,先前从将tross与主应力方向对齐中获得的解决方案被作为一个特殊案例包括在内。我们概述的方法结果是,在具有相容不一模异的单位单元的molus 结构中,便于以金枪鱼可标的长度尺度进行轻易制造(后者避免经典非conconvex 方法产生不长的错误)。

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