Mechanical Responses of Topology and Lattice Optimized Structures in Experiment and Simulation

Abstract

Topologioptimering og gitre (lattices) er metoder for å produsere lettvektstrukturer som samtidig kan maksimerer (eller minimerer) ulike mekaniske egenskaper i forhold til massen. Målet med denne avhandlingen er å undersøke de mekaniske egenskapene til prøver laget med to ulike topologioptimeringsmetoder (SIMP og RAMP) og gitteroptimering for en enkel to dimensjonal trepunkts nedbøying problem. Prøvene ble testet eksperimentelt og simulert med elementmetoden. 14 ulike geometrier har blitt 3D printet og testet. Ti topologioptimerte strukturer ble generert med SIMP og RAMP metoden i Abaqus, med sluttvolumfraksjoner i intervallet 30%-70% for hver 10% steg. Tre gitterstrukturer ble produsert med en Python-kode med utgangspunkt i data fra et topologioptimeringsresultat fra Abaqus. En referansegeometri ble også produsert og testet. Alle prøvene ble utført på en universell testmaskin med trepunkts bøyefester. De topologioptimerte prøvene og referansen ble simulert i Abaqus. Resultatene fra eksperimentene ble brukt til å sammenlikne stivheten, bære-evnen, og arbeid-til-brudd for de ulike geometriene. De eksperimentelle resultatene ble også sammenliknet med simuleringene. Resultatene viser at både topologioptimering og gitterstrukturer har høyere spesifikke egenskaper, i forhold til massen, sammenliknet med referansen, med unntak for enkelte geometrier når det gjelder arbeid-til-brudd. Noen observasjoner fra testingen og generelle problemstillinger knyttet til den praktiske bruken av disse optimeringsmetodene blir diskutert.

Topology optimization and lattice structures are light weighting methods that can maximize (or minimize) different mechanical responses of structures relative to their mass. The aim of this thesis is to study the mechanical properties of sample geometries produced using two different topology optimization methods (SIMP and RAMP) and optimized lattices for a simple two-dimensional mid-point bending problem. Sample geometries were tested experimentally and through finite element analysis. Fourteen different geometries were 3D printed and tested. Ten topology optimized geometries were generated with the SIMP and RAMP methodologies in Abaqus, with volume fractions in the interval between 30%-70% for each 10% step. Three optimized lattices were generated with a Python code utilizing topology optimization results from Abaqus. A reference geometry was also manufactured and tested. All samples were tested on a universal testing machine, using a standard three-point bending fixture. The topology optimized and reference geometries were simulated in Abaqus. Results from the experiments were used to compare the stiffness, load capacity, and work to fracture of the sample geometries. Experimental results were also compared to the simulations. The results show that both the topology optimized and optimized lattice structures have higher specific mechanical properties, when normalized over mass, than the reference, except for work to fracture for some of the geometries. Some observations from the experiments and general perspectives on the practical application of these optimization methods are discussed.