Optimización Selectiva de Refuerzo para Laminados Compuestos

Área de la Ciencia:

• Ciencia e Ingeniería de Materiales; Ingeniería Mecánica; Fabricación Aditiva

Sus antecedentes:

• La fabricación aditiva de laminados compuestos exige una distribución optimizada del material para la reducción de peso y la integridad estructural.
• Los métodos tradicionales de optimización topológica generan campos de densidad continuos inadecuados para la fabricación de compuestos basada en capas.
• Los métodos existentes a menudo requieren un postprocesamiento extenso para generar diseños listos para la fabricación.

Objetivo del estudio:

• Introducir la Optimización Selectiva de Refuerzo (SRO), una metodología novedosa impulsada por el estrés para el diseño de laminados compuestos para la fabricación aditiva.
• Desarrollar un marco computacionalmente eficiente y orientado a la producción para el diseño automatizado de estructuras compuestas en capas.
• Permitir una reducción significativa de peso garantizando la integridad estructural y la fabricabilidad.

Principales métodos:

• SRO convierte las capas de laminado con carga uniforme en 'parches' de refuerzo localizados en concentraciones de estrés críticas.
• Utiliza análisis estadístico por capas de los índices de falla de Tsai-Wu y la agrupación DBSCAN para identificar y extraer regiones de estrés críticas.
• Emplea un algoritmo personalizado de 'envolvente cóncava' para generar geometrías de límites compatibles con CAD y opera en modos iterativos de aligeramiento y fortalecimiento.

Principales resultados:

• Se demostraron reducciones de peso del 10-30% en estudios de caso manteniendo los índices de falla por debajo de la unidad.
• Se logró una convergencia típica en menos de 100 iteraciones, lo que indica eficiencia computacional.
• Genera directamente geometrías de parches discretos compatibles con la fabricación aditiva de compuestos, eliminando un extenso postprocesamiento.

Conclusiones:

• SRO ofrece un enfoque directo, eficiente y orientado a la producción para el diseño de laminados compuestos ligeros mediante fabricación aditiva.
• La metodología aborda con éxito la incompatibilidad de la optimización topológica tradicional con la fabricación basada en capas.
• SRO proporciona un marco viable para el diseño automatizado, mejorando la fabricabilidad y el rendimiento de las estructuras compuestas avanzadas.