点阵结构单元力学性能及在结构轻量化设计中的应用...l【焦点 l 点阵多孔】

根据3D科学谷的市场洞察，3D打印释放了点阵晶格结构的设计潜力，譬如通过创造元晶体结构，转换冶金机制，特别是晶界硬化，来设计高强度和极耐损伤的新型点阵结构材料。这种方法通过设计类多晶结构，消除屈服后坍塌和显著增强晶格材料。

本期，通过节选近期国内在点阵多孔材料方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

3D科学谷洞察

可以通过利用不同点阵结构（如BCC和FCC）之间的力学性能差异，设计异质层状点阵结构，通过编码指定片层内的胞元类型，实现点阵结构局部片层区域的力学行为可编程性，从而提供保护内部组件的能力。”

点阵结构单元力学性能

及在结构轻量化设计中的应用

申会鹏1,2张天宇1李行雨1韩春阳1郭家宝1

1. 河南工业大学机电工程学院2. 河南省超硬磨料磨削装备重点实验室

摘要：

针对特定功能点阵结构实现结构轻量化设计的问题，提出了拓扑优化方法，设计了一种点阵结构单元构型。首先，从实际载荷工况特征出发，构建了初始设计模型，根据拓扑优化思想，设计出了符合力学性能特性的创新点阵结构单元谱；其次，采用有限元分析方法，获取了点阵结构单元的力学性能，提出了以比刚度为指标的单元性能评价方法，得到了点阵结构的力学性能规律；然后，建立了典型点阵结构单元比例试件，进行了力学实验分析，通过实验数据对比，对点阵结构单元性能规律的准确性进行了验证；最后，将点阵结构性能规律应用于汽车发动机连杆的结构轻量化设计中，通过分析汽车发动机连杆的载荷特征来匹配点阵结构单元谱，填充了相应的点阵结构。研究结果表明：填充后的连杆体积减少了45%，而比刚度提高了90%，验证了点阵结构单元数据库的有效性和实用性。该点阵结构单元数据库能够为复杂零件的结构轻量化设计提供有力的科学依据。

空间热环境下反射镜

支撑结构点阵轻量化设计

马胜鹏1邓昊宇1王春洁1,2杨智杰1

1. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院2. 北京航空航天大学虚拟现实技术与系统国家重点实验室

摘要：

以太阳同步轨道卫星搭载的反射镜系统为研究对象，采用三维点阵胞元填充反射镜支撑架，建立了对应的反射镜有限元模型。为保证结构工作性能，同时考虑装置自身电子元器件自身工作时发热周期与轨道热周期不同步的影响，对反射镜系统进行轨道热分析，确定高低温恶劣工况作为结构分析温度载荷，对反射镜支撑架点阵夹层结构进行尺寸优化设计。优化目标为系统在极恶劣温度工况下反射镜安装平面法向与理想安装轴线间的夹角最小同时支撑架结构质量最小，约束条件为采用点阵结构的反射镜系统基频不小于给定的参考频率。采用多目标遗传算法(MOGA)进行点阵结构的尺寸优化。结果显示，反射镜系统采用优化后的点阵夹层支撑架设计较实体结构基频提高，质量明显降低，同时系统镜片支撑架受热变形后的姿态误差角减小，证明设计的可行性。

金字塔点阵单元

力学性能多目标优化

张坤1李建2卢福聪1

1. 广西大学土木建筑工程学院2. 中国工程物理研究院总体工程研究所

摘要：

本课题以金字塔点阵单元的平压与剪切比极限承载力作为优化目标，基于遗传算法(GA)和响应面法(RSM)对结构参数进行多目标优化，并对优化结果进行有限元和试验验证。

研究结果表明：基于遗传算法预测的优化结构与一般结构相比，其平压与剪切比极限承载力预测结果分别提高了30.1%和91.6%；在优化结果验证方面，通过有限元分析得到的优化结构平压和剪切比极限承载力分别提高了39.7%和90.5%；通过试验获得最优结构的平压比极限承载力较一般结构提高了44%。有限元分析和试验均验证了本文优化方法的有效性，可将其推广应用于点阵结构的优化设计。

基于灰狼优化算法的

变截面点阵结构设计及性能优化

张树佰、丁喆、黄垲轩、张严

武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室、武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室

摘要：

点阵结构因其比强度高、比刚度高，减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点，已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计。但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展，严重制约了材料分布优化的寻优空间，无法满足质量敏感领域极致轻量化设计的迫切需求。而目前关于变截面点阵结构设计的研究大都基于实验的“试错式”经验调配模式，其相应的理论设计方法尚不完善。

本课题基于灰狼智能优化算法，提出了一种高效的变截面点阵结构设计方法。首先，基于水平集函数构建变截面点阵的显式几何描述模型，以实现变截面点阵几何形状的自由描述；其次，采用能量均匀化方法预测变截面点阵单胞的宏观等效力学属性，建立宏观点阵结构与变截面单胞构型间的内在联系；然后，以变截面点阵的几何描述参数为设计变量，材料用量为约束条件，最小化柔度为目标函数，构建变截面点阵优化数学模型，并采用灰狼优化算法实现上述模型的高效求解，得到性能优化的变截面点阵结构；最后，通过二维和三维数值算例和仿真分析共同验证了所提方法的正确性和有效性，并与相同条件下等截面点阵结构的承载能力进行了比较。结果表明：优化后变截面点阵结构的柔度相较于相同条件下的等截面点阵结构可降低30%以上，具有更优异的承载能力。研究结果丰富了变截面点阵结构设计理论，在高端装备极致轻量化设计领域具有重要应用前景。

点阵构型对夹层结构

抗鸟撞性能的影响

阎军1,2张晨光1赛音夫1王福浩1霍思旭1柴象海3,4阎琨5

1. 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室2. 大连理工大学宁波研究院3. 中国航发商用航空发动机有限责任公司4. 中国航空研究院上海分院5. 大连理工大学化工学院

摘要：

空心夹层叶片由于同时具备轻量化与吸能特性而被广泛应用于航空发动机设计，研究了四种不同点阵构型对填充式叶片等效模拟件的抗鸟撞能力的影响。通过均匀化方法给出四种点阵构型的等效刚度，然后基于随形自适应点阵填充结构的建模方法建立点阵填充的曲板模型，通过3D打印将单胞填充平板结构制造出来进行鸟撞试验并进行数值仿真。从变形机理和能量吸收的角度分析了四种不同单胞下填充结构的抗鸟撞性能，BCC具有更好的抵抗z方向挠度和面内y方向的褶皱两种变形的表现且相比于其他几种结构的吸能作用更优，所以BCC具有更好的抗鸟撞能力。

广义周期点阵结构的

等效性能均匀化映射方法研究

徐仕杰、张卫红

西北工业大学航宇材料结构一体化设计与增材制造装备技术国际联合研究中心陕西省空天结构技术重点实验室

摘要：

本课题研究了广义周期点阵结构等效力学性能的均匀化计算问题,提出了计算等效弹性矩阵、等效热应力系数与热膨胀系数的均匀化映射方法,将广义周期均匀化问题映射转换为正方形单胞的经典周期均匀化问题,以此揭示了广义周期均匀化方法的内在映射机理,阐明了广义周期均匀化等效性能的基本性质.该方法极大降低了计算求解与编程难度.通过典型数值算例,分析比较了广义周期均匀化映射方法、经典周期均匀化方法与精细尺度有限元方法计算结果的差异.结果表明所提出的映射方法普适性与有效性强,对于静力学、热力耦合问题及动力学固有频率问题均具有良好的计算精度.

3D打印点阵夹芯结构

冲击损伤的近场动力学模拟

陈洋1王肇喜1翟师慧1盛鹏1王者蓝1朱明亮2

1. 上海航天精密机械研究所2. 华东理工大学机械与动力工程学院

摘要：

为了有效模拟3D打印点阵材料夹芯结构在弹丸冲击下的损伤破坏行为，在近场动力学微极模型中引入塑性键，构建了适用于点阵材料夹芯结构的模型和建模方法，在验证模型准确性的基础上，模拟分析了低速和高速弹丸冲击下点阵材料夹芯结构的损伤模式与破坏机理。

结果表明：低速冲击下3D打印点阵夹芯结构的破坏模式以局部塑性变形为主；高速冲击下，破坏模式表现为溃裂、孔洞贯穿和碎片喷射，并伴随着大范围的塑性变形。低速冲击下塑性变形范围随冲击速度升高而增大，而高速冲击下则相反。高速冲击下，点阵夹芯结构的贯穿过程分为面板接触、局部屈服、芯材压溃、穿透4个阶段，弹丸经历了急-缓-急3段减速过程，并对应2个加速度高峰，第2个加速度峰值低于第1个加速度峰值的50%；低速冲击过程中，弹丸仅有1次减速过程，加速度峰值随冲击速度的升高而增大，最终弹丸反弹。

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