[發明專利]一種仿生層級類蜂窩夾芯結構相對密度函數的構建方法

有效

• 申請號: 202110286250.6
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN113011023B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 王艷苗;李響;葛曉博;宋小俊
• 申請（專利權）人: 三峽大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務所 42103
• 代理人: 李登橋

本發明提供了一種仿生層級類蜂窩夾芯結構相對密度函數的構建方法，包括如下步驟：根據仿生層級類蜂窩夾芯結構演化過程，尺寸因子滿足幾何演變要求的前提下，求解夾芯材料質量、夾芯結構等效質量，利用等效前后的質量守恒原理，推導相對密度公式；尋求仿生層級類蜂窩夾芯結構從一級到n級的變化規律，歸納總結仿生層級類蜂窩夾芯結構相對密度函數。本發明為仿生層級類蜂窩夾芯結構力學性能研究奠定基礎，具有重要的理論意義和實踐應用價值。

技術領域

本發明涉及蜂窩夾芯結構領域，尤其是一種仿生層級類蜂窩夾芯結構相對密度函數的構建方法。

背景技術

自然界生物經過數億年的進化，形成了具有良好力學性能的生物結構，因此將仿生設計理念引入輕質高強夾芯結構進行創新構型已經成為近年來的研究熱點。層級概念與多孔蜂窩結構相結合創新設計出層級類蜂窩夾芯結構，不僅提高其結構的可設計性，而且具有提高結構強度與能量吸收能力的優點，不同的層級結構會表現出不同的力學性能。本發明受青蛙生物骨骼結構和魚骨結構的啟發，將仿生理念和層級概念相結合關聯到蜂窩夾芯結構形狀設計當中，具有重大的創新意義。

目前，包括層級蜂窩、多層梯度點陣夾芯、負泊松比蜂窩芯、三維波紋芯等在內的多種新型夾層結構被提出，引起了國內外眾多研究者的興趣并進行深入研究。然而，由于大部分夾層結構的夾芯結構較為復雜，加深了力學性能研究的難度，導致了眾多新型夾層結構不能在工程中得到更好地推廣應用。另外輕質高強蜂窩夾層材料的結構尺寸對其振動特性、吸能特性以及輕量化等研究有著舉足輕重的影響，與結構尺寸直接關聯的是等效密度，蜂窩夾芯層的性能主要取決于其相對等效密度，其所占權重遠遠超出了其他的影響因素。

發明內容

本發明為解決夾芯結構力學性能研究面臨的難題，故提出一種仿生層級類蜂窩夾芯結構相對密度函數構建方法。從結構設計角度相對于0級類蜂窩夾芯結構，層級類蜂窩夾芯層可以簡單的理解為對其結構上的拓撲優化，其優點是：可以避免傳統蜂窩夾芯結構由于孔洞過大造成面內強度較低的現象，從而提高其結構的承載性能。相對密度是蜂窩夾芯結構主要的幾何參數，它對蜂窩結構的力學性能有著重要影響，所以相對密度函數作為仿生層級類蜂窩夾芯結構的主要幾何參數進行深入研究具有重要的理論意義和工程實際價值，為其后續的振動特性、輕量化、吸能特性等研究奠定基礎，更為復雜蜂窩夾芯結構相對密度研究提供了一種新思路。

為了實現上述的技術特征，本發明的目的是這樣實現的：一種仿生層級類蜂窩夾芯結構相對密度函數的構建方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：根據仿生層級類蜂窩夾芯結構演化過程，構建各層級類蜂窩夾芯結構幾何尺寸關系；

步驟二：選取具有代表性的各個層級類蜂窩夾芯結構，并能夠由其復制排列構成單胞以及多胞層級類蜂窩夾芯結構，將其作為相對密度公式推導的研究對象；

步驟三：分別求解不同層級類蜂窩夾芯結構的質量m_i和各層級類蜂窩夾芯結構的等效質量m_ce；

步驟四：利用仿生層級類蜂窩夾芯結構等效前后質量守恒原理m_i＝m_ce，推導其相對密度公式；

步驟五：尋求仿生層級類蜂窩夾芯結構從一級到n級的變化規律，歸納總結仿生層級類蜂窩夾芯結構密度函數。

所述步驟一中構建各層級類蜂窩夾芯結構幾何尺寸關系為：

和

式中：h₀為0級類蜂窩夾芯結構四邊形的邊長長度，即仿生層級類蜂窩初始結構四邊形的邊長；b₀為0級類蜂窩夾芯結構八邊形的邊長長度；h_i為n級類蜂窩夾芯結構四邊形的邊長長度，b_i為n級類蜂窩夾芯結構八邊形的邊長長度。

本發明有如下有益效果：