[发明专利]一种含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法

说明书

本发明提供了一种含笼式加强肋的三周期极小曲面多孔材料设计方法，首先选定一初始的三周期极小曲面单胞，利用有限元软件计算单胞受压失稳后的应力等值线；然后以等值线圈为纬线，以与等值线圈垂直的线圈为经线，在三周期极小曲面单胞上初始布设经纬交叉的笼式加强肋，构成含笼式加强肋三周期极小曲面单胞；通过单胞的周期或程序排布形成含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料。本发明提供的笼式加强肋能够提高极小曲面受压的失稳临界载荷，进而提高极小曲面多孔材料的整体稳定性；增材制造工艺的发展使得本发明提出的结构能够便捷地制造加工，为超轻高强多孔材料的设计制造提供技术参考。

技术领域

本发明属于轻质多孔材料设计与研发领域，具体涉及一种含笼式加强肋的三周期极小曲面多孔材料设计方法。

背景技术

“轻量化”是现代先进装备制造业的永恒追求。未来装备，特别是高精尖装备，对结构轻量化提出了更高的要求。因此具有超轻、高强特性的多孔材料在先进复合材料研究领域中占据了非常重要的地位。三周期极小曲面(TPMS)薄壁微结构构型的多孔材料具有非常好的力学性能：其几何构型为在三维空间中连续且平滑互连的周期性微结构，甚至没有明显的节点，整体上具有更好的完整性；其处处平滑的曲率设计使得壳壁上的承担的弯矩很小，即受力特征为“拉压主导”，因而具有更好的稳定性。

但在受压作用下，TPMS结构也会出现应力分布不均和局部--整体失稳的现象。要进一步提高TPMS结构受压的稳定性，需采用逆向设计：竹子空心茎中的“节”以及阔叶植物叶片中的叶脉均起到加强肋作用，对支撑薄壁结构，提高其稳定性具有重要作用。基于此，本发明以加强肋为启发，旨在开发一种新型的兼具超轻和高强特性的改进的三周期极小曲面多孔材料设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含笼式加强肋的三周期极小曲面多孔材料的设计方法，该方法操作简单，在现有3D打印的制备工艺下易于加工制造。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法，包括：

S1、选定初始的三周期极小曲面TPMS单胞，在周期边界条件下用有限元软件计算所述TPMS单胞受压的失稳过程，直至出现塑性带而整体垮塌；

S2、提取所述TPMS单胞受压失稳后的塑性带和应力等值线圈；

S3、以塑性带和应力等值线圈为纬线，做垂直于纬线圈的经线；

S4、沿所述TPMS单胞上的经纬线在单胞内壁上做笼式加强肋；

S5、将含有笼式加强肋的TPMS单胞沿坐标方向做周期性组装，构成含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料模型，采用3D打印制备材料。

优选地，所述步骤S1中以三周期极小曲面为所述初始的TPMS单胞，在所述初始的TPMS单胞壁上布设经纬交织的加强肋。

优选地，所述步骤S2中，提取的所述TPMS单胞应力等值线圈间隔一致，且等值线圈贯穿于整个TPMS单胞中。

优选地，所述步骤S3中，以所述TPMS单胞受压失稳后的塑性带和应力等值线圈为纬线，垂直于纬线圈的曲线为经线，沿着纵横交织的经纬线布设加强肋。

优选地，基于施加位移载荷计算得到所述塑性带和应力等值线。

优选地，所述步骤S4中，加强肋与TPMS单胞壁连接处采用倒角过渡处理。

优选地，所述步骤S5中，含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料模型是由笼式加强肋增强的三周期极小曲面单胞周期或程序排布而成的。

本发明的有益效果为：