[發明專利]一種基于節點剛度梯度機制的點陣結構優化方法

在審

• 申請號: 202210136202.3
• 申請日: 2022-02-15
• 公開（公告）號: CN114510860A
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 宋衛東;李實;肖李軍;馮根柱
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發明公開的一種基于節點剛度梯度機制的點陣結構優化方法，屬于點陣結構力學優化方法領域。首先，本方法利用節點剛度梯度機制將八角點陣胞元與修正的內凹六邊形胞元進行空間組合，設計出一系列混雜胞元結構；然后，通過增材制造技術制造其中的層狀混雜點陣結構并進行動態壓縮測試與仿真，得出可用于準確預測混雜胞元力學性能的仿真參數；最后，基于該套參數建立所有混雜胞元點陣結構有限元模型，用以評估節點剛度梯度機制的有效性。最終得到最優的混雜點陣結構。本方法適用于材料等領域，用以彌補傳統彎曲主導胞元結構在吸能過程中質量利用效率低的缺陷，篩選出最優的胞元點陣結構。

技術領域

本發明涉及一種混雜胞元點陣優化方法，特別涉及一種基于節點剛度梯度機制的點陣結構優化方法，屬于點陣結構力學優化方法領域。

背景技術

點陣結構作為多孔材料的一種，其優秀的輕量化性質和高度的可設計性受到學界廣泛關注。傳統點陣結構的變形模式包含兩類，一類為拉伸主導變形模式，一類為彎曲主導變形模式。這兩類變形模式擁有各自的特征，拉伸主導胞元內部節點的短柱接入數量為12以上，短柱的受力狀態為沿短柱軸線的拉伸/壓縮方向，應力遍布在整個短柱結構中，所以該類結構具有較高的材料利用率，可用于承載。不足的地方在于該類結構在壓縮過程中出現的短柱失穩現象，這種現象會導致結構整體的承載力曲線在經歷首個峰值后出現劇烈下跌，對被保護目標造成二次沖擊，非常不利于結構防護。而彎曲主導的點陣結構則呈現出完全不同的特征，彎曲主導的點陣結構節點的短柱接入數量少于12，在承受壓縮載荷時，變形主要集中于節點處的短柱彎曲。由于短柱未發生失穩，其結構承載力曲線在屈服點后擁有較長平臺段。這一特征規避了對保護對象的二次沖擊，實現了沖擊能量的有效吸收。但是，由于該結構單胞的變形僅僅集中于節點附近，導致大量材料未被充分利用，故而導致該類結構的質量利用效率低下。若想將彎曲主導點陣結構用作吸能部件，需要解決該類點陣結構質量利用率低下的問題。

一般地，對點陣結構的優化設計主要有以下幾種方向：(1)點陣單胞拓撲設計，主要針對短柱的幾何形式與組合方式進行設計；(2)仿多晶結構設計，這種設計模仿多晶結構，將不同晶體取向的仿晶粒結構組合為點陣結構；(3)拓撲優化設計，該方法多應用于實際工程零部件，通過將非主要受力區域的材料進行點陣化，進而實現結構輕量化的目的；(4)功能梯度設計，通過改變點陣結構中胞元的尺寸與單胞短柱直徑實現點陣結構的功能梯度設計；(5)胞元混雜設計，將不同的胞元結構通過組合形成新型點陣結構。

以上方法并未充分解決彎曲主導點陣結構在吸能領域存在的問題。雖然有部分研究開始利用拉伸主導胞元與彎曲主導胞元組合為混雜點陣結構進行研究，但大多針對具體的力學行為進行研究，并未對不同胞元間的相互作用機制進行研究以解決實際問題。

發明內容

針對彎曲主導點陣結構在吸能領域存在的問題，本發明的主要目的是提供一種基于節點剛度梯度機制的點陣結構優化方法，通過研究不同胞元協同變形機制并加以利用，獲得最優胞元點陣結構。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：

本發明公開的一種基于節點剛度梯度機制的點陣結構優化方法，首先選取八角點陣胞元與修正的內凹六邊形胞元；對胞元進行空間組合，優化出一系列混雜胞元結構；通過增材制造技術制造其中的層狀混雜點陣結構，并進行動態壓縮測試與仿真，得能夠可用于準確預測混雜胞元力學性能的仿真參數；基于該套參數建立其余所有混雜胞元點陣結構有限元模型；評估協調變形混雜胞元點陣結構的吸能表現，選擇最優胞元結構，完成基于節點剛度梯度機制實現點陣結構優化。

本發明公開的一種基于節點剛度梯度機制的點陣結構優化方法，包括以下主要步驟：

步驟一、選取兩種或兩種以上點陣結構胞元。

單胞結構中節點接入短柱的數量的不同會使得節點剛度不同，故所選取的胞元結構中，至少存在一種胞元，該胞元的所有節點的配位數不盡相同，以此作為產生節點剛度梯度的基礎。