复合层压材料的选择性增强优化

为增材制造设计的复合层压材料需要有效的材料分配，以最小化重量同时保持结构完整性。然而，传统拓扑优化方法产生的连续密度场与基于层的制造不兼容。本工作提出了选择性增强优化（SRO），这是一种基于应力驱动的方法，将均匀加载的层压层转化为在关键应力集中处的局部增强区域或“补丁”。该方法利用Tsai-Wu失效指数的逐层统计分析来识别高方差层；应用DBSCAN聚类提取空间上连贯的应力区域，同时拒绝人工集中器；并通过定制的凹外壳算法生成CAD兼容且制造就绪的边界几何形状。该方法以双模式迭代运行：轻量化逐步去除完整层并在结构安全时用局部区域替代，而增强则在接近失效标准时无需去除层就添加增强。案例研究表明，在保持失效指数低于1的情况下，实现了10%–30%的重量减少，典型收敛在100次迭代内完成。与需要大量后处理的经典拓扑优化不同，SRO直接输出与复合增材制造兼容的离散补丁几何，提供了一个计算上高效且面向生产的框架，用于自动化设计分层复合结构。