[發明專利]一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法

有效

• 申請號: 202011159250.1
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112149260B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 孫雅洲;史小全;劉宏瑞;劉海濤;白臨奇
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/27;G06F111/06;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

1.一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：建立幾何模型，提取構建模型的結構參數；

步驟2：推導結構的相對密度、等效彈性模量、泊松比、失效應力與步驟1中提取的結構參數之間的關系；

步驟3：對步驟1的模型進行壓縮和沖擊仿真，根據仿真結果擬合應力應變曲線，利用應力應變曲線計算單位質量材料吸收能量，根據所需能量吸收性能確定步驟1中的各結構參數x_n的取值范圍；

步驟4：對結構參數進行歸一化處理，確定歸一化后各結構參數與單位質量材料吸收能量之間的關系，獲得各結構參數對單位質量材料吸收能量的影響系數t_i，取影響系數大于最大影響系數50％的結構參數，設為[y₁,y₂,…,y_m]^T；

步驟5：結合步驟2的計算結果，以初始峰應力和比吸能為目標對步驟4中選取的結構參數[y₁,y₂,…,y_m]^T進行優化；

步驟6：計算步驟5結構參數對應的初始峰應力和比吸能，若不符合要求則增加優化次數，再次進入步驟5迭代循環，當初始峰應力和比吸能達到要求時，結束循環；

步驟7：根據步驟6獲得的優化后的結構參數進行模型構建，得到目標模型優化后的三維抗沖擊負泊松比結構。

2.根據權利要求1所述的一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法，其特征在于，所述步驟2的具體步驟如下：

步驟2.1：建立相對密度、等效彈性模量、泊松比、失效應力與結構參數的函數關系；

步驟2.2：分析結構參數與結構性質的對應關系，通過計算獲取不同結構參數下的結構的性質。

3.根據權利要求1所述的一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法，其特征在于，所述步驟3的具體步驟如下：

步驟3.1，對步驟1的模型進行壓縮和沖擊仿真，推導應力應變之間的關系函數，利用仿真結果擬合關系函數中的參數，確定應力應變關系；

步驟3.2，根據步驟3.1中的應力應變關系計算單位質量材料吸收能量與應力之間的關系；

步驟3.3，根據步驟3.2獲得的單位質量材料吸收能量與應力之間關系確定步驟1中的各結構參數x_n的取值范圍。

4.根據權利要求1所述的一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法，其特征在于，所述步驟4的具體步驟如下：

步驟4.1，對步驟1中的結構參數進行歸一化處理，得到：

式中：x_i為步驟1中的結構參數，x_max為該結構參數可取的最大值，x_min為該結構參數可取的最小值；進而確定q_i與單位質量材料吸收能量w之間的關系；

步驟4.2，根據步驟4.1獲得的q_i與單位質量材料吸收能量w之間的關系，得到各歸一化參數q_i對單位質量材料吸收能量的影響系數：

式中：w₀為平臺應力增強區起始點時的單位質量材料吸收能量值，q_i為歸一化后的結構參數，σ為負泊松比結構受力時的應力；

步驟4.3，根據t_i的大小確定各結構參數對結構能量吸收性能的影響，取的參數為主要參數，記為[y₁,y₂,…,y_m]^T。

5.根據權利要求1所述的一種三維抗沖擊負泊松比結構的設計方法，其特征在于，所述步驟5的具體步驟如下：

步驟5.1，建立優化模型：

min f(y)＝(f₁(y),...,f_p(y))^T

將其設計域記為S，如果能得到一個可行解y*∈S，使得對于有f(y*)＜f(y)，則稱y*為多目標優化問題的最優解，g_i(y)≥0為不等式約束，h_j(y)＝0為等式約束，約束條件包括桿件幾何約束，結構強度約束，p為優化目標的個數，k₁和k₂分別為不等式約束和等式約束個數；

步驟5.2，選取最優拉丁方設計方法，在變量參數閾值范圍內選取N組采樣點，所述變量參數為[y₁,y₂,…,y_m]^T；

步驟5.3，利用最優拉丁方設計提取樣本，采用最小二乘法進行多項式擬合；

步驟5.4，選取[y₁,y₂,…,y_m]^T的最高階數均為2階，并建立2階響應面模型；

步驟5.5，采用非支配排序遺傳算法NSGA-II對近似的2階響應面模型來進行多目標優化設計。