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Multi-objective geometry optimization of additive-manufactured hexagonal honeycombs sandwich beams under quasi-static three-point bending loading
Román Funez, Emerson D.
Román Funez, Emerson D.
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Abstract
Due to its lightweight and resistance to buckling and bending loads, composite sandwich structures have increasing applications in the aerospace industry. The objective of this research is to manufacture a sandwich multi-material structure with a classic hexagonal structure core, optimizing the stiffness and maximum bending load using the slightest mass possible. For this purpose, first, different specimens were manufactured using the fused deposition modeling method (FDM), and the sensitivity of mechanical properties was analyzed using a design of experiment that varied some geometric parameters. Second, a non-linear implicit finite element analysis was conducted and experimentally validated to develop a modeling technique to predict the structural response. Third, a multi-objective optimization (MOO) problem was defined to find the optimal values to minimize the mass and maximize the load-carrying capacity. The experimental and numerical results were used to identify the more significant region in the structure. Also, the mechanical behavior can be predicted using the equations obtained by the analysis. This methodology provides a manner to select the material for each region in a multi-material sandwich structure and define the optimal geometric parameter values.
Debido a su bajo peso, resistencia al pandeo y cargas de flexión, las estructuras tipo sándwich de materiales compuestos han incrementado su uso en la industria aeroespacial. El objetivo de esta investigación es fabricar una estructura tipo sándwich multi material con un núcleo de geometría clásica hexagonal, optimizando su rigidez y carga máxima de flexión utilizando la menor cantidad de masa posible. Para este propósito, primero, se fabricaron diferentes especímenes usando el método de modelado por deposición fundida (FDM) por sus siglas en inglés, y la sensibilidad de las propiedades mecánicas fueron analizadas mediante un diseño de experimento que varió algunos parámetros geométricos. Segundo, un análisis de elemento finito no lineal fue llevado a cabo y se validó experimentalmente para desarrollar una técnica de modelado que predice el comportamiento estructural. Tercero, un problema de optimización multi objetivo (MOO) por sus siglas en inglés fue definido para encontrar los valores óptimos que minimizan la masa y maximizan la capacidad de carga. Los resultados experimentales y numéricos fueron usados para identificar la región más significativa de la estructura. También, el comportamiento mecánico puede ser predicho usando las ecuaciones obtenidas del análisis. Esta metodología provee una manera de seleccionar el material para cada región en una estructura tipo sándwich multi material y definir los valores óptimos de los parámetros geométricos.
Debido a su bajo peso, resistencia al pandeo y cargas de flexión, las estructuras tipo sándwich de materiales compuestos han incrementado su uso en la industria aeroespacial. El objetivo de esta investigación es fabricar una estructura tipo sándwich multi material con un núcleo de geometría clásica hexagonal, optimizando su rigidez y carga máxima de flexión utilizando la menor cantidad de masa posible. Para este propósito, primero, se fabricaron diferentes especímenes usando el método de modelado por deposición fundida (FDM) por sus siglas en inglés, y la sensibilidad de las propiedades mecánicas fueron analizadas mediante un diseño de experimento que varió algunos parámetros geométricos. Segundo, un análisis de elemento finito no lineal fue llevado a cabo y se validó experimentalmente para desarrollar una técnica de modelado que predice el comportamiento estructural. Tercero, un problema de optimización multi objetivo (MOO) por sus siglas en inglés fue definido para encontrar los valores óptimos que minimizan la masa y maximizan la capacidad de carga. Los resultados experimentales y numéricos fueron usados para identificar la región más significativa de la estructura. También, el comportamiento mecánico puede ser predicho usando las ecuaciones obtenidas del análisis. Esta metodología provee una manera de seleccionar el material para cada región en una estructura tipo sándwich multi material y definir los valores óptimos de los parámetros geométricos.
Description
Date
2024-12-11