[发明专利]一种参数化功能梯度立方点阵结构设计方法及材料

说明书

本发明公开了一种参数化功能梯度立方点阵结构设计方法及材料，包括：1、获取连续体几何结构所需承载的工况载荷参数；2、对连续体几何结构进行冲击性能仿真分析，得到应力分布规律，并根据应力分布规律建立密度梯度排布函数；3、对连续体几何结构进行分层，根据密度梯度排布函数对每层的点阵胞元杆件尺寸进行梯度惩罚计算，得到各层点阵胞元杆件尺寸；4、根据各层点阵胞元杆件尺寸，进行点阵胞元的生成和循环装配，得到功能梯度点阵结构材料模型。本发明通过密度函数使点阵胞元尺寸和相对密度沿高度方向呈梯度连续变化，材料分布趋向于应力较大的区域，结构变形和应力分布趋于均匀化，与均匀点阵结构相比，材料分布更加合理。

技术领域

本发明属于结构轻量化和轻质功能材料技术领域，尤其涉及一种参数化功能梯度立方点阵结构设计方法及材料。

背景技术

在军用无人装备和航空航天领域，结构轻量化是减轻设备重量、提高机动性、降低成本的重要技术途径。点阵结构材料因其高孔隙率、低相对密度、周期性排布等结构特点，具有轻质化、高比刚度和高比强度等性能优势，在产品设备结构轻量化设计方面具有重要的应用价值。在众多点阵结构材料中，立方点阵结构由于其包络空间为标准立方体，胞元结构形状规则，便于进行点阵排布和映射求解，具备良好的可设计性和适应性。

采用点阵结构材料进行结构轻量化设计，连续材料变成轻质多孔材料，材料微观结构发生变化，力学特性随之改变。在实际应用中，设备运行过程往往存在一些动载荷因素，如振动、冲击等。零件结构受动载荷作用时，主要通过结构和材料的变形发挥承载和缓冲作用，点阵结构材料的变形量、抗冲击强度和能量吸收率等性能与点阵胞元类型、胞元尺寸、密度分布、材料属性等因素密切相关。研究发现，均匀点阵结构材料在承受动载荷作用时，尤其是高速或高频动载荷，容易产生应力集中，导致材料表面或深层的变形、压溃、断裂等问题，严重影响了零件的精度和可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有点阵结构材料在振动冲击等动载荷作用下，导致材料表面或深层的变形、压溃、断裂等问题，严重影响了零件的精度和可靠性的问题，提出了一种减小应力集中，使结构变形和能量耗散趋于均匀化，提高材料抗振动、抗冲击性能的参数化功能梯度立方点阵结构设计方法及材料。

为解决该问题，本发明所采用的技术方案是：

一种参数化功能梯度立方点阵结构设计方法，包括以下步骤：

步骤1：获取连续体几何结构所需承载的工况载荷参数，以及连续体几何结构的点阵胞元类型、单个胞元的主要设计参数P(a,t)，a表示胞元包络立方体边长尺寸，t表示胞元杆件截面边长尺寸；

步骤2：根据所述工况载荷参数，对所述连续体几何结构进行冲击性能仿真分析，得到冲击载荷作用下连续体几何结构内部应力分布规律，并根据应力分布规律建立密度梯度排布函数F(h)，h表示几何结构在应力梯度变化方向上的高度；

步骤3：对连续体几何结构进行分层，根据所述密度梯度排布函数对每层的点阵胞元杆件尺寸进行梯度惩罚计算，得到各层点阵胞元杆件尺寸；

步骤4：根据所述各层点阵胞元杆件尺寸，使用三维软件建模程序进行点阵胞元的生成和循环装配，得到功能梯度点阵结构材料模型。

进一步地，还包括步骤5：对所述功能梯度点阵结构模型进行冲击仿真分析，判断所述功能梯度点阵结构模型是否满足设计要求，若满足，则根据该点阵结构模型得到点阵结构材料，若不满足，则进行结构优化设计直到满足设计要求。

进一步地，对连续体几何结构进行分层是指沿连续体几何结构的梯度变化方向，将点阵胞元排布层的一层或多层分成一个连续体几何结构层。