[发明专利]一种面向高承载性能的点阵胞元差异化配置设计方法

说明书

一种面向高承载性能的点阵胞元差异化配置设计方法，首先在介观层次上寻找具有正、负泊松比极值的RUC胞元，然后将这两种胞元按比例与排列方式进行组合形成具有更高的等效杨氏模量和正、负泊松比值结构，以具有更高正、负泊松比的结构为组成胞元进行循环设计，最终通过对介观层次上胞元构型的多次循环排列的方式，实现在小应变情况下宏观点阵结构承载性能上的跃升；本发明通过介观胞元的简单排列实现了宏观点阵结构承载性能的显著提升，具有很好的设计参考与应用价值。

技术领域

本发明属于点阵结构技术领域，具体涉及一种面向高承载性能的点阵胞元差异化配置设计方法。

背景技术

随着高端装备制造业的不断发展，对在有限材料用量下充分挖掘结构性能潜力的要求也不断提升。点阵结构作为一种独立于构成材料的新兴功能性结构，因其具有高比刚度、高比强度和较大的设计空间等优点，在车辆、船舶、航空航天等领域有重要应用价值，受到越来越多工程设计人员的关注。点阵结构是通过将介观层面上的重复单胞(RepeatedUnit Cell，RUC)进行周期性排列形成的，由于点阵结构的承载性能对RUC胞元的拓扑和排列方式比较敏感，故可以通过对介观RUC胞元的设计和排列来提升宏观结构相应的等效承载性能，实现在一定体积约束下充分发挥不同RUC胞元组合带来的承载性能优势，从而满足实际应用中对结构在优异承载性能和有限材料用量上的迫切需求。

研究表明通过RUC胞元构型上的变化能够一定程度上影响宏观点阵结构的等效承载性能，目前点阵结构性能优化设计主要集中于改变RUC胞元构型和二维平面的拉伸厚度等等。其中，RUC胞元的设计主要是将构型进行参数化建模，通过优化这些模型参数的来达到宏观点阵结构在等效杨氏模量、泊松比以及剪切模量等方面更为优异的表现，例如：通过胞元构型的参数优化可以构造出负泊松比点阵结构和泊松比理论值达到±1的极限构型，进一步增强结构的承载特性；而增大二维平面的拉伸厚度可以在牺牲材料用量的情况下满足宏观点阵结构的抗扭特性和承载特性等性能需求。现有的点阵结构承载性能优化设计方法着重关注胞元构型的变化，忽略了介观层面上不同RUC胞元间的相互作用对宏观点阵结构承载性能的影响。通过不同承载属性RUC胞元间的特定比例与排列，需要建立一种介观胞元之间的组合规律来极大地强化宏观点阵结构的等效承载性能参数用以满足各种应用领域对结构性能的严苛需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供了一种面向高承载性能的点阵胞元差异化配置设计方法，大幅度提升结构承载性能。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种面向高承载性能的点阵胞元差异化配置设计方法，包括以下步骤：

步骤一：基于经典梁理论的结构泊松比计算公式，得到理论上具有正、负泊松比值接近±1的介观胞元构型，命名为胞元1和胞元2；

步骤二：对所得到的介观胞元构型进行有限元分析，得到其正、负泊松比值的有限元解；

步骤三：对具有正、负泊松比极值的胞元1和胞元2进行比例和排列方式的组成，得到具有更高的等效杨氏模量和正、负泊松比的承载性能参数的介观构型，并通过有限元分析方法验证所得介观构型进行周期性排列后的宏观点阵结构的等效承载性能；

步骤四：判断组合次数是否达到预定组成次数，若没有达到，根据有限元分析的结果，选取前一步中得到正、负泊松比值最大的构型进行相同的比例和排列方式进行重新组合；

步骤五：若达到预定组成次数，则对介观结构进行周期性排列的宏观点阵结构进行有限元分析以得到可靠的结构等效承载性能，并输出最终点阵结构设计。

所述的步骤二有限元分析中结构泊松比值计算方法的数学表达式为：