[發明專利]一種點陣材料變形模式的有限元分析方法

有效

• 申請號: 202110763677.0
• 申請日: 2021-07-06
• 公開（公告）號: CN113343539B
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 鐘豪章;王淑俠;莫翰軒;顧劍鋒
• 申請（專利權）人: 上海醫鈦科技有限公司;上海交通大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 上海伯瑞杰知識產權代理有限公司 31227
• 代理人: 周一新

本發明公開了一種點陣材料變形模式的有限元分析方法，屬于材料力學性能分析技術領域。該方法包括建立點陣材料變形模式的有限元分析模型，其由依次包括創建部件、創建屬性、裝配部件、創建分析步、創建場輸出變量、定義邊界條件、劃分網格、提交計算和后處理的子步驟單元組成，對ABAQUS/Standard模式下的場輸出變量NFORCSO進行二次有限元分析，其中梁單元的軸向力、彎矩和剪切力分別對應拉伸、彎曲和剪切變形模式，得到梁單元的拉伸、彎曲和剪切三種變形模式導致的應變能，點陣材料三維結構的應變能為所有梁單元應變能之和，可以實現對點陣材料在壓縮過程中發生的變形模式定量和可視化效果。

技術領域

本發明屬于材料力學性能分析技術領域，具體涉及一種點陣材料變形模式的有限元分析方法。

背景技術

3D打印技術促進了點陣材料結構設計和制備技術的發展，自2005年通過3D打印工藝成功制備點陣材料以來，越來越多復雜的點陣材料如桿類、板類和曲面類應運而生。點陣材料具有三種變形模式：拉伸、彎曲和剪切變形模式，其中拉伸變形效率最高，彎曲變形效率較低。

現有技術中，用于評估點陣材料變形模式主要采用Gibson-Ashby模型和解析模型，Gibson-Ashby模型根據Maxwell方程簡單而籠統地將點陣材料分為拉伸主導型和彎曲主導性點陣材料，但忽略了拉伸主導型點陣材料的彎曲和剪切變形模式以及彎曲主導型點陣材料的拉伸和剪切變形模式，Maxwell標準只能定性地判斷點陣材料是哪種變形模式，而且是必要不充分條件，無法實現可視化和定量分析，缺乏具體的指導路線；解析模型需要對點陣材料進行繁瑣而復雜的力學推導，同樣也無法對點陣材料結構中具體哪個部位以哪種變形模式為主導進行可視化分析。目前缺少定量和可視化評估點陣材料變形模式的方法，而評估變形模式可以指導設計以拉伸變形模式為主的點陣材料，從而得到高強度高剛性的點陣材料。

發明內容

針對現有技術的上述不足，本發明的目的在于提供一種點陣材料變形模式的有限元分析方法，可以實現對點陣材料在壓縮過程中發生的變形模式定量和可視化效果。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

本發明提供一種點陣材料變形模式的有限元分析方法，包括以下步驟：

步驟一：采用單胞微結構有限次陣列方式得到微結構在三維空間周期性排列的點陣材料，并對所述點陣材料頂部的點和一參考點進行耦合，構建點陣材料變形模式的有限元分析模型，具體由依次包括創建部件、創建屬性、裝配部件、創建分析步、創建場輸出變量、定義邊界條件、劃分網格、提交計算和后處理的子步驟單元組成；其中，所述場輸出變量為ABAQUS/Standard模式下的場輸出變量NFORCSO，所述點陣材料變形模式為彈性變形或塑性變形階段的拉伸、彎曲和剪切變形模式；

步驟二：對步驟一中所述場輸出變量進行二次有限元分析，得到所述點陣材料中梁單元的軸向力、彎矩和剪切力，分別對應拉伸、彎曲和剪切變形模式，再通過以下公式(1)至(3)得到所述梁單元的拉伸、彎曲和剪切三種變形模式導致的應變能：

其中，E和G為基體材料的楊氏模量和剪切模量；A為梁的截面積，L為梁的長度，M為彎矩，F為梁的軸向力；

所述點陣材料三維結構的應變能為所有梁單元的應變能之和，通過以下公式(4)至(6)得到：

優選地，所述點陣材料選自金剛石點陣材料或正交十二面體點陣材料。

優選地，所述點陣材料的細長度為點陣材料單胞的桿長度l與桿直徑d的比值，l/d為1–10。