Published June 12, 2023
| Version v1
Publication
Open
Instability-Induced Origami Design by Topology Optimization
Description
Abstract Instability-induced wrinkle patterns of thin sheets are ubiquitous in nature, which often result in origami-like patterns that provide inspiration for the engineering of origami designs. Inspired by instability-induced origami patterns, we propose a computational origami design method based on the nonlinear analysis of loaded thin sheets and topology optimization. The bar-and-hinge model is employed for the nonlinear structural analysis, added with a displacement perturbation strategy to initiate out-of-plane buckling. Borrowing ideas from topology optimization, a continuous crease indicator is introduced as the design variable to indicate the state of a crease, which is penalized by power functions to establish the mapping relationships between the crease indicator and hinge properties. Minimizing the structural strain energy with a crease length constraint, we are able to evolve a thin sheet into an origami structure with an optimized crease pattern. Two examples with different initial setups are illustrated, demonstrating the effectiveness and feasibility of the method.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الملخص أنماط التجاعيد الناجمة عن عدم الاستقرار من الصفائح الرقيقة موجودة في كل مكان في الطبيعة، والتي غالبا ما تؤدي إلى أنماط تشبه الأوريغامي التي توفر الإلهام لهندسة تصاميم الأوريغامي. مستوحاة من أنماط الأوريغامي الناجمة عن عدم الاستقرار، نقترح طريقة تصميم اوريغامي حسابية تعتمد على التحليل غير الخطي للصفائح الرقيقة المحملة وتحسين الطوبولوجيا. يتم استخدام نموذج القضبان والمفصلات للتحليل الهيكلي غير الخطي، مع إضافة استراتيجية اضطراب الإزاحة لبدء الانبعاج خارج الطائرة. من خلال استعارة الأفكار من تحسين الطوبولوجيا، يتم تقديم مؤشر التجعد المستمر كمتغير تصميم للإشارة إلى حالة التجعد، والتي يتم معاقبتها بوظائف الطاقة لإنشاء علاقات التعيين بين مؤشر التجعد وخصائص المفصلة. من خلال تقليل طاقة الإجهاد الهيكلي مع قيود طول التجعد، نحن قادرون على تطوير ورقة رقيقة إلى هيكل اوريغامي مع نمط تجعد محسن. يتم توضيح مثالين مع إعدادات أولية مختلفة، مما يدل على فعالية وجدوى الطريقة.Translated Description (French)
Résumé Les motifs de plis induits par l'instabilité des feuilles minces sont omniprésents dans la nature, ce qui se traduit souvent par des motifs de type origami qui inspirent l'ingénierie des conceptions d'origami. Inspirés par les motifs d'origami induits par l'instabilité, nous proposons une méthode de conception d'origami computationnelle basée sur l'analyse non linéaire des feuilles minces chargées et l'optimisation de la topologie. Le modèle de barre et charnière est utilisé pour l'analyse structurelle non linéaire, ajoutée à une stratégie de perturbation de déplacement pour initier le flambage hors du plan. En empruntant des idées à l'optimisation de la topologie, un indicateur de pli continu est introduit en tant que variable de conception pour indiquer l'état d'un pli, qui est pénalisé par des fonctions d'alimentation pour établir les relations de mappage entre l'indicateur de pli et les propriétés de la charnière. En minimisant l'énergie de déformation structurelle avec une contrainte de longueur de pli, nous sommes en mesure de faire évoluer une feuille mince en une structure d'origami avec un motif de pli optimisé. Deux exemples avec des configurations initiales différentes sont illustrés, démontrant l'efficacité et la faisabilité de la méthode.Translated Description (Spanish)
Los patrones de arrugas inducidos por la inestabilidad de las láminas delgadas son omnipresentes en la naturaleza, lo que a menudo resulta en patrones tipo origami que proporcionan inspiración para la ingeniería de diseños de origami. Inspirados en patrones de origami inducidos por la inestabilidad, proponemos un método de diseño de origami computacional basado en el análisis no lineal de láminas delgadas cargadas y la optimización de la topología. El modelo de barra y bisagra se emplea para el análisis estructural no lineal, añadido con una estrategia de perturbación de desplazamiento para iniciar el pandeo fuera del plano. Tomando prestadas ideas de la optimización de la topología, se introduce un indicador de pliegue continuo como variable de diseño para indicar el estado de un pliegue, que es penalizado por las funciones de potencia para establecer las relaciones de mapeo entre el indicador de pliegue y las propiedades de la bisagra. Minimizando la energía de deformación estructural con una restricción de longitud de pliegue, podemos convertir una lámina delgada en una estructura de origami con un patrón de pliegue optimizado. Se ilustran dos ejemplos con diferentes configuraciones iniciales, que demuestran la efectividad y viabilidad del método.Files
s10338-023-00392-1.pdf.pdf
Files
(1.0 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:70f12479dc0cfe570f9e7512c9838204
|
1.0 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تصميم الأوريغامي الناجم عن عدم الاستقرار من خلال تحسين الطوبولوجيا
- Translated title (French)
- Conception d'origami induite par l'instabilité par optimisation de la topologie
- Translated title (Spanish)
- Diseño de origami inducido por la inestabilidad mediante optimización de la topología
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4380364445
- DOI
- 10.1007/s10338-023-00392-1
References
- https://openalex.org/W1551360398
- https://openalex.org/W1932582243
- https://openalex.org/W1985122355
- https://openalex.org/W1986888221
- https://openalex.org/W1993084146
- https://openalex.org/W1997065750
- https://openalex.org/W2010696630
- https://openalex.org/W2017029836
- https://openalex.org/W2047464369
- https://openalex.org/W2078351324
- https://openalex.org/W2137726847
- https://openalex.org/W2226212841
- https://openalex.org/W2273175535
- https://openalex.org/W2286933417
- https://openalex.org/W2622959077
- https://openalex.org/W2768671986
- https://openalex.org/W2803479271
- https://openalex.org/W2895799924
- https://openalex.org/W2896209070
- https://openalex.org/W2937337324
- https://openalex.org/W2951885082
- https://openalex.org/W2971714287
- https://openalex.org/W3011333101
- https://openalex.org/W3018351812
- https://openalex.org/W3021542926
- https://openalex.org/W3120806716
- https://openalex.org/W3138364213
- https://openalex.org/W3212593464
- https://openalex.org/W4205655960
- https://openalex.org/W4290705530