轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究分析

合集下载

点阵结构设计

总结一下调研的内容，点阵结构的减振性能，点阵结构可以设计的参数和初步的想法点阵结构的建模方法、分析方法点阵结构简介与应用点阵材料是通过对晶格单元进行某种形式的排列形成的，是一种超轻高强的高性能多孔材料。

目前，越来越多的航空航天飞行器采用轻量化、高性能、结构功能一体化的新结构。

三维点阵作为一种新型功能结构，具有比刚度高、比强度高、可设计性强等优点，通过优化设计能具备声学、光学、电磁学等方面的特殊性能，在航空航天等领域具有广泛的应用前景。

虽然在减震方面，金属点阵结构并不像塑料点阵结构那样具备优势，然而复杂的金属点阵结构可以提供卓越的产品性能-无论是在效率和功能方面。

并且为组件轻量化打开了广阔的设计空间，还可以提高传热、能量吸收、绝缘和提高连接性能。

晶格单元是点阵结构的基结构。

图4给出了常用的晶格单元示意图。

胞元结构可以由长方体空间微结构衍变而来，根据六面体结构的特性，选取顶点、体心、面心以及棱边中点等关键点作为构建基本胞元结构的特征参数，设计了５种典型胞元结构。

X所示为顶点(体心)结构，由长方体中心与８个顶点支柱相连构成，能够很好地将载荷传递到体心节点。

文献表示：（1）分别改变胞元尺寸及大小或胞元支柱截面半径两种情形下，试件的力学性能总体基本相似（2）顶点结构抗压能力最差，且与其他４种结构相差很大，综合力学性能表现最差，其抗扭能力稍强于抗拉／抗压和抗弯能力。

根据晶格单元填充方式的不同，点阵结构可以分为规则点阵、随型点阵以及随机点阵等不同的形式。

在实际情况下，点阵材料的各部分承受着不同的载荷，等密度点阵材料存在性能不能充分发挥的问题。

可以考虑将拓扑优化引入点阵材料设计中。

点阵结构建模仿真方法调研建模：1、建模可用常规三维CAD软件，如UG, PRO-E,CATIA等，先建立单个胞元结构，再采用复制或者阵列命令建模。

缺点：耗费资源、效率低，容易会由于计算机的硬件限制造成建模失败，甚至需要用二次开发或专用软件来解决建模问题。

轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究分析论文[5篇]

轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究分析论文[5篇]第一篇：轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究分析论文引言随着3D打印技术和材料制备技术的高速发展，轻质多孔点阵材料作为近年来兴起的力学性能极为优异的新一代轻质高强多功能材料，广泛应用于组织工程学、航空航天、船舶制造等领域。

相比传统材料，轻质多孔点阵材料最大不同在于其具有千变万化的微结构和高孔隙率(大于7000)，因面具有轻质量、高强度、高效散热、能吸收电磁波，以及多功能可设计性等特有的优良性能。

近年来，相关轻质点阵结构力学性能的研究受到了国内外专家的高度重视。

Dede等介绍了一种设计单层或多层的周期性点阵结构技术，并对单层点阵结构进行了力学性能的计算分析。

张钱城等根据各类轻质点阵材料的胞元结构分析其力学性能，并分析了强化轻质点阵结构力学性能的主要方法。

陈立明等通过对轻质点阵夹层的力学性能研究，利用轻质点阵结构的均质化等效理论模型，建立了轻质点阵圆柱壳的强度模型以及刚度模型，最后与有限元分析结果进行了对比验证。

Tekoglu等通过对多孔点阵材料在压缩、弯曲和剪切条件下的理论和仿真分析，研究了其单元尺寸变化对力学性能的影响关系。

Fan等对轻质点阵结构力学性能提出了理论模型方法并对其进行了相应的试验研究。

以上研究多为对胞元形式构成的点阵结构模型的力学性能的研究，面没有涉及对胞元结构参数化建模以及多种胞元结构构建试件的对比研究。

本文设计了基于长方体空间微结构衍生的胞元结构，并建立其数学模型以构建试件的参数化模型及分析系统。

针对分别由边结构、顶点结构、面心结构、互连顶点结构以及内十字心结构构建的长方体试件，通过改变胞元尺寸及数量或胞元支柱截面半径，保证试件结构尺寸及质量不变，分析比较在拉压、弯曲、扭转情况下试件的力学性能，并通过动力学模态分析进行验证，提出了在各种载荷下点阵结构材料的设计方法。

1轻质点阵结构参数化建模1.1胞元结构设计轻质多孔点阵材料通过模拟分子点阵构型，并由节点和节点间连接杆件单元组成一种具有周期性的拓扑结构，不同的胞元结构构成的点阵材料会产生千差万别的力学性能。

轻质点阵材料力学性能研究

轻质点阵材料力学性能研究摘要: 文章通过ANSYS有限元软件对各种构型的点阵材料进行单轴和剪切加载，从另一途径推导出各种构型点阵材料的等效模量，验证了理论推导的正确性。

关键词: 点阵材料；力学性能；等效模量；有限元分析Abstract: The article also use the ANSYS finite element software on various configurations of the lattice material under uniaxial and shear loading, another way to derive equivalent modulus of various configurations of lattice materials to verify the correctness of the theoretical derivation.Keywords: lattice material; mechanical properties; equivalent modulus; finite element analysis1 引言为了满足航天大构件的超轻结构设计和多功能要求执行, 力学和材料工作者所面临的挑战在于提出一种新型的轻质多功能材料, 建立完整的理论体系来描述其不同功能及相应的指标参数。

而新型的点阵夹层结构功能材料的设计正是顺应了材料设计、结构设计和功能设计为一体的协同优化设计理念。

在交通运输和土木工程结构中, 轻质高强材料在大跨度结构和梁板结构中也具有良好的应用前景,可减轻桥梁、建筑、舰船的结构重量。

近年来，轻金属泡沫材料和蜂窝层板已应用于航空航天结构, 而格栅结构和点阵夹层结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧材料之一。

1.1 点阵材料的特性点阵材料与传统材料的最大不同在于其具有千变万化的微结构和高孔隙率，因而具有许多特有的优良性能[2]:（1)轻质、高强；（2）抗爆炸、抗弹道冲击；（3）高效散热、隔热；（4）吸收电磁波性能；（5）吸声性能；（6）多功能可设计性。

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法吴文旺;夏热【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2022(52)3【摘要】随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展,高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势.传统结构研究存在结构设计和制造相互分离,复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题.此外,先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高,亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究,为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持.轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势,在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力.有鉴于此,受多晶体微结构的多尺度力学设计启发,以“点阵超结构力学设计”为主题,开展点阵超结构的节点、杆件组元,胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计,并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法,以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.【总页数】46页(P673-718)【作者】吴文旺;夏热【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系;武汉大学水力机械过渡过程教育部重点实验室【正文语种】中文【中图分类】O34【相关文献】1.轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究2.轻质高强点阵金属材料的制备及其力学性能强化的研究进展3.轻质高强点阵材料及其力学性能研究进展4.轻质高强多功能点阵夹层结构研究进展5.轻质复合材料夹芯结构设计及力学性能最新进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

含缺陷点阵结构的力学性能影响研究

含缺陷点阵结构的力学性能影响研究顾晓春 1，刘亚波 2，钱远宏 1，王帅 1，刘中杰 3（1. 北京星航机电装备有限公司，北京 100074；2. 北京理工大学先进结构技术研究院，北京 100081；3. 西北工业大学材料学院，西安 710072）[摘　要]随着3D 打印（增材制造）的快速发展以及航空航天对轻量化结构设计的迫切需求，多孔结构尤其是周期性的点阵结构得到了越来越多的重视。

由于当前3D 打印工艺水平还不够成熟，打印的点阵结构不可避免地出现各种缺陷，因此需要对含缺陷的点阵结构进行性能评估。

首先开展了不同位置点阵杆件缺失对结构力学性能的影响，实验和有限元结果表明中心部位的单根杆件缺失时结构的力学性能下降最多。

在此基础上，建立了中心部位杆件的缺失数量与结构力学性能之间的关系表达式。

该结果可以为点阵结构在实际工程结构中的应用提供指导。

[关键词]轻质点阵结构；点阵缺陷；增材制造；力学性能；失效模式[中图分类号] O481.2 [文献标志码] A doi ：10.3969/j.issn.1673-6214.2020.02.005[文章编号] 1673-6214(2020)02-0091-06Study on Mechanical Properties of Lattice Structure With DefectsGU Xiao-chun 1，LIU Ya-bo 2，QIAN Yuan-hong 1，WANG Shuai 1，LIU Zhong-jie 3(1. Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co., Ltd., Beijing 100074, China ；2. Institute of Advanced Structure Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China ；3. School of Materials, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)Abstract: With the rapid development of 3D printing (Additive Manufacturing) and the urgent demand of aerospace for lightweight structure, porous structure, especially periodic lattice structure, has attracted more and more attention. In view of the fact that 3D printing technology is not mature enough and the printed lattice structure inevitably has defects, therefore, it is necessary to evaluate the performance of lattice structure with defects. Firstly, the influence of the missing of the strut in different positions on the mechanical properties of the structure is carried out. The experimental and finite element results show that the mechanical properties of the structure decrease most when a strut is missing in the center. Furthermore, the relationship between the number of missing members in the center and the mechanical properties of the structure is established. The results can provide guidance for the application of lattice structure in practical engineering structure.Key words: lightweight lattice structure; lattice defects; additive manufacturing; mechanical properties; failure mode0　引言金属周期性点阵结构由于其轻质高强的特点，许多学者、工程师等对其进行了大量的研究。

轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究

轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究
轻质点阵结构是一种特殊而具有创新性的结构形式，它具有结构轻巧、强度高、刚度大、形式多样等优点。

近年来，它的应用越来越广泛，成功的例子包括教室的天花板以及
医疗设备部件。

这种点阵结构能够满足越来越多的应用需求，但是由于它结构较复杂，所
以如何参数化建模和优化设计仍然是一个难题。

基于参数化建模，设计轻质点阵结构有助于缩减开发周期和提高质量，从而提高效率，减少成本。

为了建立轻质点阵结构，首先利用凸优化和可行性算法，以及计算机辅助工程（CAE）软件开发的参数化建模技术，结合有限元分析，从而实现参数化设计。

其次，轻
质点阵结构的力学性能要根据设计要求对模型进行优化，以达到最佳的力学性能。

进行参数化建模时，我们采用CAE软件，并采用有限元分析方法来完成数值分析，就
可以很快实现力学特性分析。

通过参数化建模，我们可以准确选择结构参数，从而获得优
化的最佳结构参数组合。

根据不同的物理属性，轻质点阵结构可以实现最佳的力学性能。

同时，利用软件管理技术可以实现模型加工，并验证模型是否符合实际要求，以确保最终
的设计质量。

通过上述的分析，参数化建模和优化设计是轻质点阵结构的一个重要研究方向，可用
于实现高效有效的设计与生产，进而实现高性能、高可靠性与低成本的设计要求。

点阵材料的力学性质研究

点阵材料的力学性质研究随着材料科学的不断发展，人们对于材料的力学性质研究越来越深入。

近年来，点阵材料的力学性质研究备受关注。

点阵材料是由由正交、体心立方、菱形等几何基元周期排列构成的晶体材料。

点阵材料在自然界中广泛存在，并且具有许多优良的物理和化学性质，如优异的机械性能、热稳定性、耐腐蚀性等，因此在现代材料科学中也得到了广泛的应用。

点阵材料的力学性质是指该材料获得机械力作用后的变形和变化。

力学性质研究的主要内容包括弹性模量、塑性行为和疲劳寿命等方面。

弹性模量是材料表征其弹性性质的重要参数，与材料的结构、晶格常数、原子半径等有关。

塑性行为研究则主要包括材料的屈服强度、延展性、蠕变性以及断裂韧性等方面。

疲劳寿命则是指材料在长期应力作用下产生裂纹并最终导致断裂的能力，也是衡量材料抗疲劳性能的重要指标。

针对点阵材料的力学性质研究，目前主要的研究方法是理论计算和试验研究。

理论计算运用物理学的知识和数学模型对材料的力学性能进行预测与分析。

常用的理论计算方法包括分子动力学、有限元分析、分子力学等。

这些方法能够在计算量较少的情况下获得材料的一些基本力学参数。

但是，这些计算方法所得到的结果通常是理论模型，需要与实验结果进一步验证。

试验研究则是基于实验结果对材料进行测试和分析，旨在了解材料的机械性能和物理性质。

常用的试验研究方法包括拉伸、压缩、弯曲、冲击等。

随着实验与理论的不断改进和发展，当前点阵材料的力学性质研究已经取得了一定的进展。

学者们通过理论计算获得了许多点阵材料的弹性模量和塑性行为等力学参数。

例如，具有六方晶格结构的氢化钛钾点阵材料的弹性模量通过紧束缚方法计算得到为3.05 GPa。

针对塑性行为的研究，人们在实验中通常使用拉伸、压缩、扭转等不同的试验方法，并对实验后的材料进行形貌与显微结构分析。

这些研究结果可以帮助人们深入了解点阵材料的力学特性并探索新的应用价值。

然而，与晶体材料的力学性质研究相比，目前点阵材料的研究还存在着许多难点和挑战。

激光增材制造点阵结构力学性能研究共3篇

激光增材制造点阵结构力学性能研究共3篇激光增材制造点阵结构力学性能研究1激光增材制造点阵结构力学性能研究随着科技的不断发展，激光增材制造已经成为一种新型制造技术。

与传统制造方法相比，激光增材制造具有自由度高、制造自由度大和制造周期短等优势。

同时，点阵结构也是一种广泛应用的新型结构形式。

在建筑、航空、电子、光学等领域都有广泛的应用。

因此，点阵结构的力学性能的研究成为越来越重要的问题。

本文通过实验研究了点阵结构的力学性能，以探索激光增材制造法对点阵结构力学性能的影响。

实验所用的激光增材制造设备为TRUMPF公司的激光增材制造机，材料为SUS304L不锈钢粉末。

实验材料为10*10*10mm的正方体单元，三种不同的内部构形都是点阵结构。

实验分为两个方面，首先是对没有任何初始缺陷和材料的点阵结构进行拉伸实验和压缩实验，得到了其基本的力学性能指标；其次是对人工缺陷构成的点阵结构进行几何大小、方向不同的循环载荷实验，比较其疲劳寿命与上述两类构造的点阵结构的疲劳寿命。

实验结果表明，点阵结构的力学性能随着构造变化而变化。

具体来讲，无缺陷的点阵结构的基本力学性能参数（弹性模量，破坏应变，破坏强度和泊松比）高于带缺陷的点阵结构。

而带缺陷的点阵结构的疲劳寿命则低于无缺陷的点阵结构，而具体设计的缺陷形状和大小对疲劳寿命影响显著。

此外，还对激光增材制造工艺对点阵结构性能的影响进行了分析。

结果显示，激光增材制造工艺会影响点阵结构内部的结构形态，从而影响材料的力学性能。

通过优化制造参数（激光功率、扫描速度、扫描间隔等），可以提高点阵结构的力学性能，进一步扩大应用范围。

总之，本文采用激光增材制造方法研制点阵结构的力学性能，并分别探究了带和不带缺陷的点阵结构的弹性和疲劳性能，分析了激光增材制造工艺对点阵结构性能的影响。

这些研究对完善点阵结构的力学理论及其应用具有重要意义本研究通过实验研究了激光增材制造方法下的点阵结构的力学性能和其对人工缺陷的疲劳寿命的影响。

功能性点阵结构设计优化技术研究

ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－５０９Ｘ.２０２０.０７.００１功能性点阵结构设计优化技术研究朱健峰ꎬ戴㊀宁ꎬ刘乐乐(南京航空航天大学机电学院ꎬ江苏南京㊀２１００１６)摘要:点阵结构是一种先进的轻质功能结构ꎬ在航空航天领域应用越来越广泛ꎬ设计出满足特定功能需求的点阵结构来拓展零件功能ꎬ是当前需要解决的关键问题之一ꎮ基于拓扑优化原理进行点阵结构的设计ꎬ对多种点阵结构的性能进行了仿真分析和物理实验分析ꎬ并对实验结果进行了对比ꎮ对主要受拉压应力的连杆填充相应的点阵结构进行轻量化优化设计ꎬ结果表明ꎬ采用点阵结构填充后的试验件质量减小了１/３ꎬ比刚度是原来的１.９倍ꎮ关键词:点阵结构ꎻ性能分析ꎻ弹性模量ꎻ轻量化设计中图分类号:ＴＢ３８３㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:２０９５－５０９Ｘ(２０２０)０７－０００１－０６㊀㊀自然界充满了各种天然多孔结构ꎬ如骨骼㊁蜂窝㊁竹子纤维等[１－２]ꎬ这些功能性多孔结构能够让自然界的生物具有适应不同生活环境的能力ꎮ研究人员从这些生物多孔结构中获得灵感ꎬ将点阵结构应用到不同的实物中实现轻量化设计以及性能优化ꎬ如网格状的桁架桥㊁蜂巢状建筑㊁仿生多孔骨组织以及采用多孔填充的金属零部件等ꎬ促进了点阵结构的发展ꎮ点阵结构作为极具潜力的先进轻质功能结构ꎬ与传统结构相比具有很多特有的优异性能[３]ꎬ在很多领域特别是航空航天领域具有巨大的应用潜力[４]ꎮ近些年增材制造[５]的发展为点阵结构的制造和应用提供了极大的便利ꎬ设计者在产品开发设计阶段不受刀具加工以及专用模具等加工条件方面的限制[６]ꎬ可以直接㊁快速地把设计想法变为实体零件ꎬ大大拓宽了设计者的设计思路ꎮ通过对点阵结构的合理设计与选用ꎬ可以实现对目标模型的最佳轻量化ꎬ并在轻量化的同时维持或增强原始模型的特定力学特性ꎬ实现目标模型的特异性功能ꎮ本文将拓扑优化与实体几何构造法相结合ꎬ进行点阵结构的参数化设计和性能预测ꎬ针对性地实现零件的功能性轻量化设计[７]ꎮ１㊀点阵结构设计点阵结构是一种模拟生物微观分子构型ꎬ通过连接杆件单元和节点ꎬ并按照一定的规律排列组成的一种具有周期性的拓扑结构ꎬ不同的点阵结构单元构成的轻质点阵结构具有不同的力学性能[８]ꎮ现有的点阵结构类型繁多ꎬ实际应用过程中难以在相应的载荷条件下确定对应的点阵结构ꎬ设计时选择困难ꎮ本文提出了基于拓扑优化原理的点阵结构设计方法ꎬ在不同载荷㊁边界条件下得到对应的优化点阵单元结构ꎬ实现功能性点阵力学性能匹配ꎮ１)基于拓扑优化的点阵结构单元ꎮ拓扑优化是一种数学优化方法ꎬ其本质上是在不断迭代分析的过程中寻找设计区域内最优的材料分布ꎮ本文采用基于变密度法的拓扑优化算法[９]进行微结构单元的拓扑优化设计ꎮ变密度法[１０]是最常用的拓扑优化方法ꎬ其建立了材料弹性模量与材料密度之间确定的数学关系ꎬ每个设计区域内网格单元的密度为一个优化变量ꎬ密度阈值为０~１ꎬ它借鉴了均匀化方法的经验和成果ꎬ直接建立起设计材料的弹性模量与网格单元密度之间的线性关系ꎮ以单元刚度最大为优化目标ꎬ体积率２０％作为约束条件ꎬ建立单元结构的拓扑优化模型:ｆｉｎｄ:ｘ＝{ｘ１ꎬｘ２ꎬ ꎬｘＮ}ＴɪＲＮ(１)ｍｉｎ:Ｃ(ｘ)＝ＦＴＵ＝ＵＴＫＵ＝ðＮｉ＝１ｘＰｉｕＴｉｋｉｕｉ(２)收稿日期:２０１９－０１－０４基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１７７５２７３)ꎻ国防装备预研基金资助项目(６１４０９２３０３０５ꎬ６１４１Ｂ０７０９０１１９)ꎻ国防基础科研项目(ＪＣＫＹ２０１８６０５Ｃ０１０)ꎻ江苏省重点研发计划项目(ＢＥ２０１８０１０－２)ꎻ南京航空航天大学研究生创新基地开放基金资助项目(ｋｆｊｊ２０１７０５２０)作者简介:朱健峰(１９９４ )ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ主要研究方向为数字化设计与制造ꎬ187****6252＠１６３.ｃｏｍ.１２０２０年７月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｊｕｌ.２０２０第４９卷第７期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.４９Ｎｏ.７㊀㊀ｓｕｂｊｅｃｔｔｏ:Ｖ＝ｆＶ０＝ðＮｉ＝１ｘｉｖｉＫＵ＝Ｆ０ɤｘｍｉｎɤｘｉɤｘｍａｘɤ１ìîíïïïï(３)式中:ｘ为整个优化模型的设计变量ꎻｘｉ为单元密度阈值ꎻｘｍａｘꎬｘｍｉｎ分别为设计区域内网格单元相对密度的最大值和最小值ꎻＣ(ｘ)为整体结构(包含设计区域和非设计区域)的柔度矩阵ꎻＦ为整体结构所承受的载荷矩阵ꎻＵ为整体结构的位移矩阵ꎻＫ为整体结构的刚度矩阵ꎻｕｉ为设计区域网格单元的位移矩阵ꎻｋｉ为设计区域单元的刚度矩阵ꎻＶ为设计区域结构的有效体积ꎻＶ０为设计区域的原始体积ꎻｖｉ为网格单元体积ꎻｆ为设计区域内拓扑优化后结构相对于设计区域内原始结构的体积率ꎻＮ为离散网格单元总数ꎻＰ为惩罚因子ꎮ设置如图１所示的４种载荷边界条件ꎬ分别代表立方单元承受拉压㊁扭转和剪切载荷时的４种情况ꎮ第一种为８个顶点受拉(压)载荷ꎬ６个面中心点固定约束ꎬ每个顶点均受到ＸꎬＹꎬＺ轴３个方向的分力各５Ｎꎻ第二种为８个顶点固定约束ꎬ６个面的中心点受拉(压)载荷ꎬ每个点均受到垂直于该面的拉(压)力２０Ｎꎻ第三种为顶面４个顶点各受５Ｎ的集中力载荷ꎬ力的方向为逆时针方向ꎬ模拟扭转情况下的载荷条件ꎬ底面４个顶点固定约束ꎻ第四种为在原始立方体的右侧面上半部分与左侧面的下半部分分别施加５ＭＰａ的面压力ꎬ模拟受剪切的载荷条件ꎮ图１㊀４种载荷边界条件㊀㊀前两种情况目标区域的载荷边界条件及模型具有三轴对称性ꎬ优化结果也具有对称特性ꎻ第三种情况模拟扭转载荷条件时各侧面受力方向一致ꎬ优化结果同样具有对称性ꎻ而在模拟剪切载荷条件时载荷边界只有一个方向ꎬ因此第四种拓扑优化模型不具有完全对称性ꎮ４种载荷边界条件下拓扑优化后的点阵结构单元如图２所示ꎮ结果充分体现了材料对于不同载荷工况的适应性ꎮ图２㊀４种载荷边界条件下的拓扑优化后点阵结构单元㊀㊀２)拓扑点阵结构单元设计ꎮ常见的三维点阵结构有面心立方㊁体心立方㊁八面体结构㊁金刚石结构㊁三维Ｋａｇｏｍｅ结构等[１１]ꎮ拓扑优化直接获得的单元具有不规则形状ꎬ曲面复杂ꎬ不能直接用于对结构的轻量化设计ꎬ需要将拓扑优化获得的点阵结构单元规则化ꎬ形成具有规则形状的㊁具有一致特征的点阵结构规则单元ꎬ这一步本文称之为拓扑点阵结构单元的点阵化ꎮ考虑到剪切载荷边界条件的不对称性ꎬ结合拓扑优化的结果ꎬ将４种载荷边界条件的拓扑优化单元分别设计为具有一致拓扑结构的规则点阵结构单元ꎬ如图３所示ꎬ并将这４种常见点阵结构单元作为拓扑优化的点阵化结果ꎮ２　点阵结构单元力学性能模拟与实验１)点阵结构单元力学数值分析ꎮ采用均匀化理论对点阵结构单元进行分析ꎬ建立复合材料四阶刚度矩阵Ｃ[１２]ꎬ共包含３６个参数ꎬ由于四阶刚度矩阵的对称性以及所分析单元具２２０２０年第４９卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀图３㊀拓扑模型的点阵结构有正交各向异性属性ꎬ因此３６个未知参数可以减为９个独立未知参数ꎮ首先在点阵单元上分别施加６种载荷条件[１３]ꎬ求出四阶刚度矩阵Ｃ中的未知参数ꎬ然后根据四阶刚度矩阵Ｃ求得其逆矩阵Ｓ:㊀Ｓ＝１Ｅ１－ν１２Ｅ１－ν１３Ｅ１０００－ν２１Ｅ２１Ｅ２－ν２３Ｅ２０００－ν３１Ｅ３－ν３２Ｅ３１Ｅ３００００００１Ｇ１２００００００１Ｇ１３００００００１Ｇ２３éëêêêêêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúúúúúú(４)式中:Ｅ１ꎬＥ２ꎬＥ３分别为点阵结构单元ＸꎬＹꎬＺ３个方向的弹性模量ꎻＧ１２ꎬＧ１３ꎬＧ２３分别为点阵结构单元的剪切模量ꎻν１２ꎬν２１ꎬν１３ꎬν３１ꎬν２３ꎬν３２分别为点阵结构单元的泊松比ꎮ再计算出不同点阵结构轴方向的弹性模量㊁剪切模量和泊松比ꎬ并作出其与体积率的关系曲线图ꎬ如图４所示ꎮ图４㊀４种点阵结构性能与体积率的关系曲线㊀㊀２)点阵结构的准静态压缩性能实验ꎮ采用准静态单向压缩实验来获得点阵结构的静力学性能ꎮ通过压缩实验(图５)获得点阵结构的力－位移曲线ꎬ再换算成名义应力－应变曲线ꎬ从而测得材料名义弹性模量Ｅ∗ꎮ㊀㊀点阵结构及标准拉伸试件采用选择性激光熔融技术(ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇꎬＳＬＭ)制备ꎮＳＬＭ技术能够制造复杂的点阵结构ꎬ可使用的金属粉末图５㊀点阵结构压缩实验３２０２０年第７期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀朱健峰:功能性点阵结构设计优化技术研究材料有钛合金㊁纯钛㊁不锈钢㊁钴铬铝合金㊁马氏体钢㊁铝合金㊁镍合金以及其他定制材料ꎮ实验选用３１６Ｌ不锈钢作为３Ｄ打印材料ꎬ其材料属性见表１ꎮ制作的实验试件外形尺寸为２０ｍｍˑ２０ｍｍˑ２０ｍｍꎬ每个试件在ＸꎬＹꎬＺ方向均排列５层基本点阵单元ꎬ基本单元的尺寸为４ｍｍˑ４ｍｍˑ４ｍｍꎮ改变点阵单元中杆件的半径ꎬ获得４种类型点阵单元５种不同体积率模型ꎮ在万能材料试验机(型号为ｃｍｔ５３０５)上对试件分别施加初始接触力３０Ｎꎬ下压速度为１ｍｍ/ｍｉｎꎬ直至试件发生塑性变形ꎬ记录过程中试件的力－位移曲线ꎮ对曲线进行处理ꎬ换算成名义应力－应变曲线ꎬ并与数值模拟曲线进行对比ꎬ如图６所示ꎮ表１㊀３１６Ｌ不锈钢材料属性参数强度极限/ＭＰａ屈服极限/ＭＰａ伸长量/％弹性模量/ＧＰａ数值６８０５７０４６１７０图６㊀３１６Ｌ不锈钢点阵结构弹性模量压缩实验与数值分析结果对比㊀㊀由图可以看出ꎬ压缩实验得到的弹性模量与均匀化方法数值分析获得的结果的误差在３５％以内ꎬ实验获得的弹性模量总是小于均匀化方法数值分析得到的结果ꎮ经过分析ꎬ误差主要是由于数值分析计算时采用的是理想模型ꎬ而实际的打印试验件存在缺陷ꎮ同时从图中也可以观察到ꎬ随着点阵结构体积率的增加ꎬ实验结果与数值分析结果之间的误差百分比越来越小ꎬ呈下降趋势ꎬ这说明随着杆径的增加ꎬＳＬＭ工艺对点阵结构性能的影响逐渐减小ꎮ３　点阵结构在连杆轻量化优化中的应用以典型连杆结构为例对其进行受载情况下的有限元分析ꎬ点阵结构单元设为１ｍｍˑ１ｍｍˑ１ｍｍ的正方体单元ꎬ材料选用钛合金Ｔｉ６Ａｌ４Ｖꎬ其弹性模量Ｅ为１１０ＧＰａꎬ泊松比ν为０.３３ꎮ将连杆模型导入到ＡＢＡＱＵＳ中ꎬ并进行有限元网格划分ꎮ在顶部封闭的圆环中心设置一个参考点ＲＰꎬ将圆环内部表面与参考点设置耦合约束ꎬ如图７(ａ)所示ꎮ边界条件设置为底部开孔两端的螺栓孔固定约束ꎬ载荷条件为在参考点上施加垂直向上和向右的集中力各１００Ｎꎬ因为设置了耦合约束ꎬ集中力会均匀地分散在顶部圆孔的内表面ꎬ如图７(ｂ)所示ꎮ图７㊀连杆结构载荷边界条件㊀㊀由图８(ａ)所示的连杆Ｍｉｓｅｓ应力云图可以发现ꎬ最大应力集中在连杆与底部半圆环连接处的两侧ꎬ连杆中间部分应力偏低ꎬ可采用点阵结构填充ꎬ实现连杆结构的轻量化设计ꎮ由图８(ｂ)所示的应变云图可以看出ꎬ整个连杆的变形主要是拉压应变ꎬ结合拓扑优化结果ꎬ选用与立方体中心拉压载荷下拓扑结果相似的ＶｅｒｔｅｘＯｃｔａ点阵单元对连杆４２０２０年第４９卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀结构进行填充ꎬ如图９所示ꎮ图８㊀连杆优化前应力应变图图９㊀ＶｅｒｔｅｘＯｃｔａ点阵单元填充结果㊀㊀根据第２节中点阵结构性能分析的结果ꎬ当ＶｅｒｔｅｘＯｃｔａ点阵结构单元的体积率为０.２９５７７６时ꎬ其弹性模量为９７６２ＭＰａꎬ泊松比为０.２８ꎮ结合均匀化理论ꎬ在实验中以此均质材料替代填充的点阵结构ꎬ并映射到连杆中部实体中进行分析ꎬ结果如图１０所示ꎮ对比分析图８和图１０所示的连杆优化前后的Ｍｉｓｅｓ应力云图及应变云图ꎬ发现填充后最大应力值并未增大ꎬ最大应变虽略有增大ꎬ但仍满足实际使用要求ꎮ图１０㊀连杆优化后应力应变图㊀㊀连杆优化前后的位移云图如图１１所示ꎮ通过对比分析可以发现优化前后云图分布基本一样ꎬ最大位移量由填充前的０.０１１５６ｍｍ增大到０.０１４８２ｍｍꎬ体积由８０１０８ｍｍ３减小到５４７５０ｍｍ３ꎬ减小了１/３ꎬ连杆刚度略有降低ꎬ但比刚度约是优化前的１.９倍ꎮ结果表明ꎬ在满足使用要求的前提下ꎬ合理应用点阵结构优化连杆的低应力区ꎬ可以有效提高连杆结构整体的比刚度ꎮ图１１㊀连杆优化前后位移云图４㊀结束语随着增材制造技术的不断发展以及点阵结构各方面优异性能的显现ꎬ点阵结构的应用将更加广泛和普遍ꎮ虽然点阵结构极具魅力和吸引力ꎬ但目前仍然有一些困难使得点阵结构很难用在实际的零件生产中ꎬ主要包括点阵结构专用建模软件的开发㊁点阵结构的力学性能研究㊁点阵结构其他性能的研究㊁点阵结构填充分析软件的开发等ꎮ航空航天㊁汽车等领域零件轻量化设计的需求以及医用假体填充结构的设计㊁新型功能材料的发展需求ꎬ使得点阵结构的发展潜力巨大ꎬ因此对其进行深入研究意义重大ꎮ参考文献:[１]㊀ＧＩＢＳＯＮＬＪꎬＡＳＨＢＹＭＦ.ＣｅｌｌｕｌａｒＳｏｌｉｄｓ:Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ＆Ｐｒｏｐｅｒ￣ｔｉｅｓ[Ｍ].Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ:ＣａｍｂｒｉｄｇｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓꎬ１９９９.[２]㊀ＡＮＴＯＮＯＶＳＫＹＡ.Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｅｎｓｅｏｆｃｏｈｅｒｅｎｃｅｓｃａｌｅ[Ｊ].ＳｏｃｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｍｅｄｉｃｉｎｅꎬ１９９３ꎬ３６(６):７２５.[３]㊀ＭＩＮＥＳＲＡＷꎬＴＳＯＰＡＮＯＳＳꎬＳＨＥＮＹꎬｅｔａｌ.Ｄｒｏｐｗｅｉｇｈｔｉｍ￣ｐａｃｔｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆｓａｎｄｗｉｃｈｐａｎｅｌｓｗｉｔｈｍｅｔａｌｌｉｃｍｉｃｒｏｌａｔｔｉｃｅｃｏｒｅｓ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍｐａｃｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１３ꎬ６０(１０):１２０－１３２.[４]㊀工业和信息化部ꎬ国家发展和改革委员会ꎬ财政部.国家增材制造产业发展推进计划(２０１５－２０１６年)[Ｊ].电加工与模具ꎬ２０１５(增刊１):６８－７０.[５]㊀ＥＤＧＡＲＪꎬＴＩＮＴＳ.Ａｄｄｉｔｉｖｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ:３Ｄｐｒｉｎｔ￣ｉｎｇꎬｒａｐｉｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇꎬａｎｄｄｉｒｅｃｔｄｉｇｉｔａｌｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ[Ｊ].Ｊｏｈｎ￣ｓｏｎＭａｔｔｈｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｖｉｅｗꎬ２０１５ꎬ５９(３):１９３－１９８.[６]㊀冯琪翔.基于选择性激光熔化的金属多孔结构力学特性及其５２０２０年第７期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀朱健峰:功能性点阵结构设计优化技术研究变密度设计方法研究[Ｄ].重庆:重庆大学２０１７. [７]㊀ＺＨＡＮＧＹｕꎬＺＨＵＰｉｎｇꎬＣＨＥＮＧｕａｎｌｏｎｇ.Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｆｒｏｎｔｓｉｄｅｒａｉｌｂａｓｅｄｏｎｒｏｂｕｓｔｏｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎ[Ｊ].ＴｈｉｎＷａｌｌｅｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ２００７ꎬ４５(７):６７０－６７６.[８]㊀ＴＲＡＮＴＤꎬＤＥＱＵＥＩＲＯＺＲＬꎬＮＧＵＹＥＮＴＱ.Ｌｉｎｅａｒ－ｐｈａｓｅｐｅｒｆｅｃｔｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｉｌｔｅｒｂａｎｋ:ｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｄｅｓｉｇｎꎬａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｉｍａｇｅｃｏｄｉｎｇ[Ｊ].ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇꎬ２０００ꎬ４８(１):１３３－１４７.[９]㊀ＳＥＧＯＶＩＡ－ＨＥＲＮÁＮＤＥＺＪｕａｎＧａｂｒｉｅｌꎬＨＥＲＮÁＮＤＥＺＳａｌｖａ￣ｄｏｒꎬＰＥＴＲＩＣＩＯＬＥＴＢｏｎｉｌｌａＡｄｒｉａｎ.Ｒｅａｃｔｉｖｅｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ:ａｒｅｖｉｅｗｏｆｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｕｓｉｎｇｄｅｔｅｒｍｉｎｉｓｔｉｃａｎｄｓｔｏｃｈａｓｔｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ[Ｊ].ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓＩｎｔｅｎｓｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬ２０１５ꎬ９７:１３４－１４３.[１０]ＳＰＡＬＡＺＺＩＨＨＬＪＰ.Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓｔｒａｔｉｆｉｅｄｓｃａｆｆｏｌｄｄｅｓｉｇｎｆｏｒｌｉｇａｍｅｎｔ－ｔｏ－ｂｏｎｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｔｉｓｓｕｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ[Ｊ].Ｃｏｍｂｉｎａｔｏ￣ｒｉａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ＆ＨｉｇｈＴｈｒｏｕｇｈｐｕｔＳｃｒｅｅｎｉｎｇꎬ２００９ꎬ１２(６):５８９－５９７.[１１]ＯＧＵＭＡＭꎬＪＩＮＧＵＪＩＫꎬＫＩＴＯＨＴꎬｅｔａｌ.Ｆｌａｔ－ｐａｓｓｂａｎｄｉｎｔｅｒ￣ｌｅａｖｅｆｉｌｔｅｒｗｉｔｈ２００ＧＨｚｃｈａｎｎｅｌｓｐａｃｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｐｌａｎａｒｌｉｇｈｔ￣ｗａｖｅｃｉｒｃｕｉｔ－ｔｙｐｅｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ[Ｊ].ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓꎬ２００２ꎬ３６(１５):１２９９－１３００.[１２]ＫＡＢＥＡＭ.Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓｍａｔｒｉｘａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｕｓｉｎｇｍｏｄｅｄａｔａ[Ｊ].ＡＩＡＡＪｏｕｒｎａｌꎬ１９８５ꎬ２３(９):１４３１－１４３６.[１３]ＸＵＳꎬＳＨＥＮＪꎬＺＨＯＵＳꎬｅｔａｌ.Ｄｅｓｉｇｎｏｆｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ[Ｊ].Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｄｅｓｉｇｎꎬ２０１６ꎬ９３:４４３－４４７.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅＺｈｕＪｉａｎｆｅｎｇꎬＤａｉＮｉｎｇꎬＬｉｕＬｅｌｅ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓꎬＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇꎬ２１００１６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬｈｏｗｔｏｄｅｓｉｇｎａｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｈａｔｍｅｅｔｓｓｐｅｃｉｆ￣ｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｔｏｅｘｐａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｉｓｓｕｅｓ.Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｏｐｏｌｏｇｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎬａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｈｙｓｉｃａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｏｎｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ.Ｔｈｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄｗｉｔｈｔｅｎｓｉｏｎａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏａｄｓｉｎｔｈｅｍｉｄｄｌｅａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌａｔｔｉｃｅｃｅｌｌ.Ｔｈｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎｒｅ￣ｄｕｃｅｓｔｈｅｖｏｌｕｍｅｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄｂｙ１/３ꎬａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓｂｙ１.９ｔｉｍｅｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｌａｔｔｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓꎻｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓꎻｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｄｅｓｉｇｎ６２０２０年第４９卷㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀机械设计与制造工程㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀。

轻质点阵材料力学性能研究

而新型的点阵夹层结构功能材料的设计正是顺应了材料设计、结构设计和功能设计为一体的协同优化设计理念。

在交通运输和土木工程结构中, 轻质高强材料在大跨度结构和梁板结构中也具有良好的应用前景,可减轻桥梁、建筑、舰船的结构重量。

近年来，轻金属泡沫材料和蜂窝层板已应用于航空航天结构, 而格栅结构和点阵夹层结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧材料之一。

轻质高强点阵材料及其力学性能研究进展

1、前言随着航空航天器结构的发展，飞行器独特的服役力学环境和性能要求导致了结构的设计中的新课题：大结构尺度和所允许的有限重量而产生的结构超轻型化问题；涉及到急剧变化的力学加载环境和大范围几何变构形而要求最佳构形设计问题；结构大尺度展缩与控制，隔热与隔振、电子屏蔽和可靠运行的主动控制和智能监测的多功能化问题。在传统的设计中，考虑到减重，航天飞行器大构件的结构材料通常采取铝合金和复合材料，来满足对结构的强度刚度等力 [1-4] 学性能要求。近年来，轻金属泡沫材料和蜂窝层板已应用于航空/航天结构[1-3,5]，而 [5,6] [7] 格栅型结构和点阵夹层结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧材料[8-12]。另一方面，现代空天飞行器部件在承载的同时如能提供功率，执行传感/ 致动，使之具有可执行结构延展与收缩[13-17]、管理散 [18-27] 热以及实现推进和可靠性智能监测的多功能，则其比重量将大幅降低。在空天飞行器大构件设计中要考虑三个主要的技术因数：材料的选择、形状的利用与拓扑优化和多功能性。即现代的航空/航天大构件不仅与材料的设计、制备有关，而且与结构和材料的协同优化有关。然而，在传统的设计中，结构中一部分材料是用来满足对结构的强度刚度等力学性能要求，另一部分材料则用来满足隔热、隔振或电子屏蔽等要求。这种材料的设计与选择与结构功能的分离设
轻质高强点阵材料及其力学性能研究进展
范华林杨卫
（清华大学工程力学系，北京，100084）摘要点阵材料是一种新型轻质高强材料。文章综述了点阵材料的拉伸主导型设计原则、点阵
构型、制备工艺。总结了研究点阵材料力学性能的理论方法和试验研究成果，分析了缺陷对点阵材料力学性能的影响。文中还归纳了作者近期在炭纤维点阵复合材料方面的工作，并给出制备炭纤维隐身点阵格栅的探索性工作。关键词点阵材料，拉伸主导型，制备，等效模量，塑性屈服，多功能应用

Kagome点阵结构参数对其压缩特性的影响及轻质化设计

Kagome点阵结构参数对其压缩特性的影响及轻质化设计张斌;赵晶;王世杰
【期刊名称】《复合材料科学与工程》
【年(卷),期】2024()3
【摘要】为研究三杆支撑(Kagome)结构的压缩性能并对其进行轻质化设计,通过改变胞元的结构参数,建立了12种不同胞元相对密度的Kagome多层点阵结构模型,利用压缩试验和模拟仿真对其进行准静态压缩力学性能分析。

研究发现在胞元高度一定时,支撑杆倾角和截面直径的增大均会提高Kagome多层点阵结构的抗压缩性能,且倾角大小对结构整体最大等效平压强度的影响要大于杆直径的影响。

胞元相对密度从16.6%提高到60.7%,整体等效平压模量提高了5.54倍,最大等效平压强度提高了4.52倍,模拟仿真结果和试验结果具有一致性。

此外,对Kagome加固点阵结构进行轻质化设计,整体质量直接减少了16.3%,压缩仿真结果表明,轻质化设计小幅提升了点阵结构在压缩坍塌失效之前的整体等效平压模量、最大等效平压强度、相对比强度、比刚度和等参数。

【总页数】9页(P35-42)
【作者】张斌;赵晶;王世杰
【作者单位】沈阳工业大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB332
【相关文献】
1.压缩机设计参数对活塞环密封特性的影响
2.轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究
3.结构参数对内啮合转子压缩机受力特性的影响
4.Kagome结构空芯光子晶体光纤纤芯参数对传输特性的影响
5.结构参数对压缩机阀片冲击特性的影响研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

轻质高强点阵材料及其力学性能研究进展

轻质高强点阵材料及其力学性能研究进展范华林;杨卫【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2007(37)1【摘要】点阵材料是一种新型轻质高强材料,同时具备形状控制、致动、能量吸收和传热等多种功能.文章综述了点阵材料的拉伸主导型设计原则、点阵构型和制备工艺.拉伸主导型点阵材料的比强度和比刚度明显强于一般胞元材料,在低密度时质量效率更加突出.根据材料的基本构型特征主要介绍了三维八角点阵以及夹层点阵材料,比较分析了熔模铸造法和冲压折叠成型工艺的特点.总结了研究点阵材料力学性能的理论方法和试验研究成果,研究表明缺陷对点阵材料力学性能的影响明显小于一般胞元材料.对点阵材料在形状控制与致动、传热和数值计算方面的应用研究成果进行了介绍.文中归纳了作者近期在炭纤维点阵复合材料方面的工作,给出了制备炭纤维隐身点阵格栅的探索性工作.主要包括炭纤维点阵复合材料的三维编织工艺和二维点阵格栅的嵌锁工艺以及隐身点阵格栅反射率试验测试结果.【总页数】14页(P99-112)【作者】范华林;杨卫【作者单位】清华大学工程力学系,北京,100084;解放军理工大学,南京,210007;清华大学工程力学系,北京,100084;浙江大学,杭州,310027【正文语种】中文【中图分类】O3【相关文献】1.轻质高强点阵金属材料的制备及其力学性能强化的研究进展 [J], 张钱城;卢天健;闻婷2.轻质、高强、隔热多孔陶瓷材料的研究进展 [J], 汪长安;郎莹;胡良发;董岩浩;周军3.轻质高强Mg-Li基复合材料研究进展 [J], 王红亮;邱智海4.轻质高强多功能点阵夹层结构研究进展 [J], 陈东; 吴永鹏; 李忠盛; 黄安畏; 孙彩云; 吴道勋; 花泽荟; 舒露; 周富5.超轻质微点阵结构金属材料的研究进展 [J], 戴贵鑫; 吴士平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

点阵压气机叶轮轻量化设计及力学性能分析

点阵压气机叶轮轻量化设计及力学性能分析
郭自闯;李范春;张荣磊;张君杰;张源
【期刊名称】《推进技术》
【年(卷),期】2022(43)2
【摘要】以压气机叶轮为研究对象,轻量化设计为研究目标,设计了一种适合旋转周期对称结构应用的点阵填充点阵胞元。

其目的是在保证满足设计要求的前提下,使叶轮刚度和强度具有可调性的同时降低叶轮质量。

对转速为8×10^(4)r/min极限工况下的无填充轮、实心轮和不同点阵梁直径点阵填充轮进行了分析对比。

结果表明,单个胞元梁直径为0.2mm,0.4mm,1mm的点阵轮相对于实心轮叶梢的平均周向变形分别降低了4.84%,3.49%,3.71%。

对于点阵梁直径为0.4mm的叶轮,其重量相对于实心叶轮可降低22.68%,轮毂与叶片部分应力相对于实心轮可降低
75MPa。

点阵轮的叶梢周向平均变形位于无填充轮和实心轮之间。

这一结果说明点阵填充轮毂的压气机叶轮不但可以有效减重,还可以提高压气机的工作效率。

【总页数】12页(P149-160)
【作者】郭自闯;李范春;张荣磊;张君杰;张源
【作者单位】大连海事大学船舶与海洋工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH122
【相关文献】
1.离心压气机不同结构扩压器与叶轮匹配性能分析
2.车用涡轮增压器压气机叶轮几何参数优化设计和性能分析
3.点阵压气机叶轮的设计与3D打印仿真
4.轻量化异构三维点阵融合设计及界面力学性能分析
5.点阵结构压气机叶轮3D打印过程设计及打印性能分析
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。