بهینه سازی طراحی عناصر بتنی پرینت سه بعدی با در نظر گرفتن قابلیت ساخت

صنعت تولید سیمان سهم قابل توجهی در تولید CO خالص داردUnknown node type: fontUnknown node type: fontانتشارات این امر انگیزه ای برای کاهش استفاده از سیمان در ساخت و ساز می دهد، به خصوص تا زمانی که یک جایگزین قوی سازگار با محیط زیست وجود داشته باشد. محدود کردن حجم مصالح ساختمانی را می توان با بهینه سازی طراحی با استفاده از تکنیک هایی مانند بهینه سازی سازه به دست آورد. با این حال، ساختن طرح‌های پیچیده و بهینه‌سازی شده با تکنیک‌های ساخت و ساز مرسوم دشوار است و در بیشتر موارد، در نهایت از مواد و زمان بیشتری استفاده می‌شود. علاوه بر این، فرآیند ساخت و ساز اغلب مستلزم ساخت قالب های موقت است که فرآیندی کار فشرده و زمان بر است [1]. بنابراین، زمینه برای بهبود فرآیندهای تولید فعلی در صنعت ساختمان وجود دارد.

چالش ساخت اشکال پیچیده را می توان با استفاده از مزایای تولید افزودنی (AM) در صنعت ساخت و ساز، از طریق چاپ سه بعدی بتن (3DCP) حل کرد. کاربردهای پیش بینی شده زیادی از پتانسیل ترکیبی بهینه سازی سازه و 3DCP وجود دارد. جدا از مزایای پولی در صرفه جویی در مصالح ساختمانی و زمان، توانایی ساخت هندسه های پیچیده به معماران و مهندسان اجازه می دهد تا تخیل و خلاقیت خود را برای توسعه تم های جدید و فضاهای جالب برای ساختمان های اداری و مسکونی به کار گیرند. حذف قالب های موقت در ساخت و ساز می تواند منجر به کاهش قابل توجه ضایعات مرتبط با ساخت و ساز شود [2]، [3]. از آنجایی که 3DCP کل فرآیند ساخت و ساز را ساده می کند، یکی از کاربردهای آینده نگرانه پیش بینی شده 3DCP ساخت سازه هایی در سیارات دیگر است [4].

از منظر معماری، 3DCP الهام‌بخش آزمایش‌های اولیه طراحی بود که بر روش کوشنویس در ساخت کانتور [5] متکی بود. امکان ساخت عناصر هندسی پیچیده در مقیاس بزرگ بدون قالب توسط دینی [6] نشان داده شد که روشی به نام D-شکل را پیشنهاد کرد که به وسیله آن یک سیستم دروازه ای یک رزین اتصال را بر روی لایه های شن می گذارد که هم به عنوان یک تکیه گاه و هم به عنوان ماده اولیه عمل می کند. . روش‌ها و کاوش‌های بی‌شماری طراحی در مقیاس معماری در دهه گذشته پدیدار شده‌اند. خوانندگان علاقه مند به بررسی های جامع [7]، [8]، [9]، [10] ارجاع داده می شوند. چند نمونه که قابلیت‌های 3DCP را در پروژه‌های دنیای واقعی نشان می‌دهند عبارتند از: ساخت عناصر بتنی پیش ساخته با استفاده از یک سیستم دروازه‌ای در مقیاس بزرگ سفارشی و مونتاژ بعدی در محل [11]. برای مثال بعداً در کابین آشن متوجه شد. پل دوچرخه ای که توسط TU Eindhoven با مونتاژ قطعات فرعی پل با چاپ سه بعدی با استفاده از پس کشش ساخته شد [12]. یک پل قوسی عابر پیاده که در دانشگاه Tsinghua ساخته شده است، جایی که قسمت های مختلف پل با استفاده از 3DCP ساخته شده است [13]. و یک پل بنایی چاپ شده بتنی سه بعدی که در دوسالانه ونیز در سال 2021 به نمایش گذاشته شد و از طریق هندسه بهینه، تعریف مواد و توزیع به استحکام ساختاری دست یافت [14].

تطابق بالقوه بین 3DCP و طراحی محاسباتی – به ویژه طراحی بهینه – منجر به تحقق چندین طرح پیچیده با استفاده از 3DCP شده است. یک مثال اولیه پارتیشن یک عضو بتن مسلح را به قطعاتی نشان داد که به طور جداگانه چاپ شدند و بعداً با آرماتورهای فولادی مونتاژ شدند و در نتیجه ساختاری خرپایی شکل آزاد ایجاد شد [15]. یک ستون سفارشی به عنوان یک ترکیب پوسته دوتایی با مهاربندی داخلی ساختاری [16]، [17] طراحی شد. مقاطع پیچیده با استفاده از یک روش محاسباتی شامل توابع مثلثاتی [18] تعیین شد. روش دیگر ساخت و ساز با استفاده از 3DCP، پرینت سه بعدی قالب لازم برای ریخته گری مواد سازه ای دیگر مانند بتن با کارایی فوق العاده بالا یا بتن تقویت شده با الیاف است [19]. قالب برای ساختار مورد نیاز با استفاده از روش بهینه سازی توپولوژی ایجاد شد. وانتیگم و همکاران [20] یک تیر بتنی پس تنیده بهینه شده با توپولوژی را تفسیر کرد و آن را با تقسیم به قطعات کوچک و قابل چاپ که متعاقباً مونتاژ، پس‌تنیده و با دوغاب پر می‌شد، درک کرد. این کار بعداً گسترش یافت و پلی که توسط دو پرتو بهینه‌سازی شده پشتیبانی می‌شد به صورت سه بعدی چاپ شد [21].

دو مورد از چالش‌های اصلی چاپ بتن، تمایل بتن نرم رسوب‌شده به فروریختن در اثر وزن خود و محدودیت‌های زاویه‌ای که می‌تواند چاپ شود، است. در تلاش برای پیش‌بینی رفتار بتن در حین چاپ، مدل‌های مختلفی پیشنهاد شده‌اند که در بررسی‌های اخیر به تفصیل آمده است [22]، [23]. مدل‌های موجود اساساً بر اساس پارامترهای رئولوژیکی یا خواص مکانیکی بتن تازه هستند. مدل‌های رئولوژیکی عمدتاً برای تشخیص شکست ناشی از تسلیم پلاستیک استفاده می‌شوند. راسل [24] شرایط تحلیلی را برای پایداری لایه مبتنی بر مقاومت و کنترل هندسی برای پایداری چاپ فراهم می کند. بسیاری از خرابی‌هایی که در طول چاپ با آن مواجه می‌شوند، بررسی می‌شوند (همچنین به وانگلر و همکاران [25] مراجعه کنید)، با تمرکز بر ساختارهایی با ویژگی‌های مقطع مستطیلی یا یکنواخت. یکی از الزاماتی که باید در مدل ساخت پذیری در نظر گرفته شود، عامل زمان است. بتن تازه با گذشت زمان استحکام می‌یابد در حالی که لایه‌های پایینی تحت تأثیر بارهای خودوزنی از لایه‌های شمع‌بندی قرار می‌گیرند. برای این منظور کروگر و همکاران. [26] یک مدل دو خطی مبتنی بر رئولوژی (بر اساس [27]) را برای نشان دادن توسعه تنش تسلیم ساکن بتن با زمان در نظر گرفت. مدل بتن را به عنوان یک ماده تیکسوتروپیک فرض می کند و شکست آن را در صورتی که تنش ناشی از وزن خود از تنش تسلیم استاتیک بیشتر شود، پیش بینی می کند. کروگر و همکاران [28] از همین مدل برای توسعه یک مدل طراحی ساخت‌پذیری برای تعیین ترکیب سرعت چاپ و ارتفاع رشته برای سریع‌ترین نرخ عمودی ساختمان استفاده می‌کند. پروت و همکاران [29] نیز از همین اصل استفاده کرد، اما توسعه تنش بحرانی خطی و بعداً نمایی است. هر دو مدل شکست را با دقت معقولی پیش‌بینی می‌کنند. یک رفتار تیکسوتروپیک وابسته به زمان بتن نرم توسط راسل [30] مورد بحث قرار گرفته است و می تواند در مدل سازی مواد پیشرفته تر مورد استفاده قرار گیرد. یک مدل مبتنی بر مکانیک توسط Wolfs و همکاران ارائه شد. [31] و Jayathilakage و همکاران. [32]، بر اساس قانون Mohr–Coulomb. این مدل بر اساس رفتار وابسته به زمان خواص مکانیکی مختلف است که به صورت تجربی تعیین می‌شوند. سپس یک مدل عددی بر اساس پارامترهای تعیین‌شده وابسته به زمان ساخته می‌شود، که سپس می‌تواند برای پیش‌بینی خرابی استفاده شود. Suiker [33] و Wolfs [34] همچنین مدلی را برای پیش بینی خرابی در حین چاپ سازه های دیواری مستقیم توسعه دادند. وانتیگم و همکاران [35] یک پلاگین Grasshopper به نام Voxelprint برای شبیه سازی فرآیند چاپ بتن ایجاد کرد.

سهم اصلی کار فعلی در گام برداشتن به سمت تعبیه ملاحظات ساخت‌پذیری در فرآیند بهینه‌سازی طراحی است. ما به “قابلیت ساخت” از دو جهت مکمل می پردازیم – فیزیکی و هندسی. با در نظر گرفتن قابلیت ساخت فیزیکی، ایده این است که رویکرد مدلسازی کروگر و همکاران را تعبیه کنیم. [26] و مطالعات مشابهی که در بالا ذکر شد. سپس فرآیند رسوب لایه به لایه به عنوان مجموعه ای از مراحل ساخت و ساز، اعمال بار خود وزنی بر روی سازه ای که هندسه و خواص مواد با گذشت زمان در حال تغییر است، دیده می شود. فرمول‌بندی‌هایی که شامل چنین مراحل ساخت و وزن انباشته‌شده خود هستند را می‌توان در زمینه بهینه‌سازی توپولوژی برای AM یافت، به عنوان مثال Allaire و همکاران. [36] و امیر و ماس [37]. یک تعمیم زیبا از این فرمول ها برای در نظر گرفتن زمان ساخت به عنوان یک میدان پیوسته توسط وانگ و همکاران ارائه شده است. [38]. در یک کار مرتبط، یک روش بهینه‌سازی توپولوژی برای قرارگیری و طراحی بهینه تکیه‌گاه‌ها در یک فرآیند ساخت و ساز وابسته به زمان توسعه داده شد [39]. یک رویکرد هندسی رایج برای تضمین اینکه یک سازه می‌تواند توسط AM ساخته شود، محدود کردن زوایای اضافه است – که در بسیاری از فرآیندهای AM، از جمله 3DCP، یک محدودیت است. حجم زیادی از کار در مورد محدودیت های overhang، به ویژه در زمینه بهینه سازی توپولوژی وجود دارد، و بررسی کامل این روش ها خارج از محدوده فعلی است [36]، [40]، [41]، [42]، [43]. ]، [44] یک روش بهینه سازی توپولوژی برای قرار دادن و طراحی بهینه تکیه گاه ها در یک فرآیند ساخت و ساز وابسته به زمان توسعه داده شد [39]. یک رویکرد هندسی رایج برای تضمین اینکه یک سازه می‌تواند توسط AM ساخته شود، محدود کردن زوایای اضافه است – که در بسیاری از فرآیندهای AM، از جمله 3DCP، یک محدودیت است. حجم زیادی از کار در مورد محدودیت های overhang، به ویژه در زمینه بهینه سازی توپولوژی وجود دارد، و بررسی کامل این روش ها خارج از محدوده فعلی است [36]، [40]، [41]، [42]، [43]. ]، [44] یک روش بهینه سازی توپولوژی برای قرار دادن و طراحی بهینه تکیه گاه ها در یک فرآیند ساخت و ساز وابسته به زمان توسعه داده شد [39]. یک رویکرد هندسی رایج برای تضمین اینکه یک سازه می‌تواند توسط AM ساخته شود، محدود کردن زوایای اضافه است – که در بسیاری از فرآیندهای AM، از جمله 3DCP، یک محدودیت است. حجم زیادی از کار در مورد محدودیت های overhang، به ویژه در زمینه بهینه سازی توپولوژی وجود دارد، و بررسی کامل این روش ها خارج از محدوده فعلی است [36]، [40]، [41]، [42]، [43]. ]، [44]

در زمینه 3DCP، چند جهت تحقیقاتی وجود دارد که هدف آنها ادغام ملاحظات تولید در بهینه سازی طراحی است. مارتنز و همکاران [45] از بهینه‌سازی توپولوژی مبتنی بر چگالی کلاسیک با ویژگی‌های ارتوتروپیک و محدودیتی که شبیه یک محدودیت قالب‌گیری یک طرفه است، استفاده کرد که به طور موثر ویژگی‌های آویزان را غیرممکن می‌کند. برای کنترل توزیع مواد یک لایه در AM مبتنی بر اکستروژن مانند 3DCP، محدودیت‌های اندازه نازل در بهینه‌سازی توپولوژی ادغام شده‌اند [46]. در یک کار اخیر، محدودیت‌های اکستروژن خودنگهدار و پیوسته اعمال شده است [47]. علاوه بر این، رفتار ناهمسانگرد با فرض یک مدل مواد همسانگرد عرضی شبیه‌سازی می‌شود. استراتژی طراحی متکی بر مدولار کردن دامنه اولیه، بهینه سازی توزیع مواد در هر زیر دامنه است. و متعاقبا مونتاژ تمام ماژول ها. با گسترش ادغام مستقیم طراحی سازه و قابلیت ساخت 3DCP، فرمول‌بندی‌های مبتنی بر بهینه‌سازی را ارائه می‌کنیم که می‌توانند هندسه سازه و زمان ساخت را تعیین کنند. فرمول‌بندی‌ها محدودیت‌های فیزیکی و هندسی تحمیل‌شده در مرحله چاپ و همچنین الزامات عملکرد در ساختار نهایی و سخت‌شده را در نظر می‌گیرند.

بقیه مقاله به صورت زیر سازماندهی شده است: جنبه های مدل سازی و مفروضات در بخش 2 ارائه شده است. فرمول های مسئله بهینه سازی در بخش 3 ارائه شده است. نتایج عددی برای یک ساختار از نوع ستونی در بخش 4 و به دنبال آن اعتبار سنجی تجربی در بخش 5 نشان داده شده است. به طور مشابه، نتایج عددی برای یک سازه تیرآهن در بخش 6 نشان داده شده است، و به دنبال آن اعتبار سنجی تجربی در بخش 7 آمده است. اظهارات پایانی در بخش 8 آورده شده است.