Topology optimization of origami structures based on crease pattern and axial rigidity

September 15, 2023

As Estruturas Origami têm boas propriedades para aplicação em estruturas espaciais implantáveis. O presente trabalho contém uma descrição da cinemática do origami e propõe um método de projeto baseado em otimização topológica, utilizando um modelo de viga para caracterizar tais estruturas. O objetivo é obter a configuração ótima das vigas de acordo com a rigidez axial e a distribuição das linhas de dobra que maximizam o deslocamento em posições predeterminadas da estrutura, considerando as forças e as condições de contorno. Inicialmente, um método linear é aplicado para estudar a mecânica de pequenas deformações e pequenas rotações em origami flexível, com o objetivo de estudar o comportamento no início da flexão. Em seguida, um método não-linear é implementado para considerar a mecânica de grandes deslocamentos e grandes rotações, típicas de origami. Para realizar o processo de otimização topológica, restrições são aplicadas sobre o número de dobras ativas e a distribuição da rigidez axial. Estudos anteriores sobre a otimização topológica de origami levam em conta, em suas análises, apenas o movimento de flexão em tais estruturas. Neste trabalho é mostrado que, ao incluir a rigidez axial como uma variável de projeto, a otimização topológica multi-material pode ser alcançada, permitindo a descoberta de novas configurações promissoras para estruturas de origami. Origami structures exhibit desirable stowage properties for application in deployable space structures. This work presents a description of their kinematics and proposes a design method using topology optimization. Using a truss model, the objective is to find the optimal configuration of the trusses based on axial rigidity and the crease pattern that maximizes the displacement at set locations, under prescribed forces and boundary conditions. First, a linear method is used to determine small strain and small rotation mechanics of flexible origami, with the aim of studying the behavior at the initiation of folding. Subsequently, a nonlinear method is implemented to consider large displacement and large rotation mechanics. To carry out the optimization process, constraints on the number of active fold lines and on the axial rigidity distribution are applied. Previous studies on topology optimization of origami structures have considered only folding and bending in their analyses. Here it is shown that, including the axial rigidity as a design variable, multi-material topology optimization can be achieved and new promising origami designs can be discovered.

Authors in the community:

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  V

  Vincenzo Cretella

  ist1105316

Supervisors of this institution:

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  A

  Afzal Suleman

  ist13672

Mestrado em Engenharia Aeroespacial

mechanical-engineering - Mechanical engineering

Keywords

• Topology optimization
• Origami structures
• Nonlinear analysis
• Otimização Topológica
• Estruturas Origami
• Análise não-linear

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