[发明专利]一种基于节点刚度梯度机制的点阵结构优化方法

说明书

本发明公开的一种基于节点刚度梯度机制的点阵结构优化方法，属于点阵结构力学优化方法领域。首先，本方法利用节点刚度梯度机制将八角点阵胞元与修正的内凹六边形胞元进行空间组合，设计出一系列混杂胞元结构；然后，通过增材制造技术制造其中的层状混杂点阵结构并进行动态压缩测试与仿真，得出可用于准确预测混杂胞元力学性能的仿真参数；最后，基于该套参数建立所有混杂胞元点阵结构有限元模型，用以评估节点刚度梯度机制的有效性。最终得到最优的混杂点阵结构。本方法适用于材料等领域，用以弥补传统弯曲主导胞元结构在吸能过程中质量利用效率低的缺陷，筛选出最优的胞元点阵结构。

技术领域

本发明涉及一种混杂胞元点阵优化方法，特别涉及一种基于节点刚度梯度机制的点阵结构优化方法，属于点阵结构力学优化方法领域。

背景技术

点阵结构作为多孔材料的一种，其优秀的轻量化性质和高度的可设计性受到学界广泛关注。传统点阵结构的变形模式包含两类，一类为拉伸主导变形模式，一类为弯曲主导变形模式。这两类变形模式拥有各自的特征，拉伸主导胞元内部节点的短柱接入数量为12以上，短柱的受力状态为沿短柱轴线的拉伸/压缩方向，应力遍布在整个短柱结构中，所以该类结构具有较高的材料利用率，可用于承载。不足的地方在于该类结构在压缩过程中出现的短柱失稳现象，这种现象会导致结构整体的承载力曲线在经历首个峰值后出现剧烈下跌，对被保护目标造成二次冲击，非常不利于结构防护。而弯曲主导的点阵结构则呈现出完全不同的特征，弯曲主导的点阵结构节点的短柱接入数量少于12，在承受压缩载荷时，变形主要集中于节点处的短柱弯曲。由于短柱未发生失稳，其结构承载力曲线在屈服点后拥有较长平台段。这一特征规避了对保护对象的二次冲击，实现了冲击能量的有效吸收。但是，由于该结构单胞的变形仅仅集中于节点附近，导致大量材料未被充分利用，故而导致该类结构的质量利用效率低下。若想将弯曲主导点阵结构用作吸能部件，需要解决该类点阵结构质量利用率低下的问题。

一般地，对点阵结构的优化设计主要有以下几种方向：(1)点阵单胞拓扑设计，主要针对短柱的几何形式与组合方式进行设计；(2)仿多晶结构设计，这种设计模仿多晶结构，将不同晶体取向的仿晶粒结构组合为点阵结构；(3)拓扑优化设计，该方法多应用于实际工程零部件，通过将非主要受力区域的材料进行点阵化，进而实现结构轻量化的目的；(4)功能梯度设计，通过改变点阵结构中胞元的尺寸与单胞短柱直径实现点阵结构的功能梯度设计；(5)胞元混杂设计，将不同的胞元结构通过组合形成新型点阵结构。

以上方法并未充分解决弯曲主导点阵结构在吸能领域存在的问题。虽然有部分研究开始利用拉伸主导胞元与弯曲主导胞元组合为混杂点阵结构进行研究，但大多针对具体的力学行为进行研究，并未对不同胞元间的相互作用机制进行研究以解决实际问题。

发明内容

针对弯曲主导点阵结构在吸能领域存在的问题，本发明的主要目的是提供一种基于节点刚度梯度机制的点阵结构优化方法，通过研究不同胞元协同变形机制并加以利用，获得最优胞元点阵结构。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于节点刚度梯度机制的点阵结构优化方法，首先选取八角点阵胞元与修正的内凹六边形胞元；对胞元进行空间组合，优化出一系列混杂胞元结构；通过增材制造技术制造其中的层状混杂点阵结构，并进行动态压缩测试与仿真，得能够可用于准确预测混杂胞元力学性能的仿真参数；基于该套参数建立其余所有混杂胞元点阵结构有限元模型；评估协调变形混杂胞元点阵结构的吸能表现，选择最优胞元结构，完成基于节点刚度梯度机制实现点阵结构优化。

本发明公开的一种基于节点刚度梯度机制的点阵结构优化方法，包括以下主要步骤：

步骤一、选取两种或两种以上点阵结构胞元。

单胞结构中节点接入短柱的数量的不同会使得节点刚度不同，故所选取的胞元结构中，至少存在一种胞元，该胞元的所有节点的配位数不尽相同，以此作为产生节点刚度梯度的基础。