[发明专利]一种极轻高强耐损伤点阵结构设计方法

说明书

本发明涉及结构轻量化设计领域，具体涉及一种极轻高强耐损伤点阵结构设计方法，包括点阵结构分类划分、仿真分析与点阵结构厚度优选，根据点阵结构的各个杆件的方向向量是否平行、该方向向量与载荷向量之间的夹角是否相等或者互补进行划分，基于不同的基杆和增强杆的杆厚，对所获得的杆件类型制定相应的系列设计方案，再对所述设计方案进行网格化CAE分析得到应力应变曲线，以获取不同杆件类型下的设计方案下的屈服强度进而计算相对屈服强度的提升极限因子，利用相对屈服强度的提升极限因子获得最佳的点阵结构厚度优选方案，最终获得点阵结构的厚度和长度分布。

技术领域

本发明涉及结构轻量化设计领域，具体涉及一种极轻高强耐损伤点阵结构设计方法。

背景技术

点阵结构因其承载效率高、抗爆炸和抗冲击性能优越，在力学、电磁、声学、热学等领域具备优良的应用前景，现已被广泛应用于航天、航空、兵器、核工业、生物医学和车辆等国防与工业重大产业。当前点阵结构主要有两种类型：1)以杆件单元所排列组合而成的空间桁架结构；2)以曲面特征单元按照特定的映射关系连接而成的空间面体结构。它们的尺寸设计变量为胞元的长宽高、杆厚或者壁厚和特征角度等。由于点阵结构主要承受轴向载荷，其增强方式主要是通过将材料分配到局部的离散元件提高结构的强度和承载效率。现有从设计层面来提高点阵结构的强度和和承载效率主要有如下三种思路：1)选择点阵结构的使用材料，有钢、铝和复合材料等；2)整体均匀增加胞元的厚度以提高点阵结构的强度；3)梯度/变密度减少胞元的厚度以提高点阵结构的承载效率；3)改变点阵结构的构型，有FCC结构、BCC结构、FCC和BCC相结合的变形结构以及具备负泊松比效应的内凹六边形结构、拉胀结构等。

此外，点阵结构的设计方案来源主要有如下两种：1)基于材料冶金学的原子空间排布规则及其变形组合体设计；2)生物仿生设计。在其基础上，大量研究人员通过将几何构型与其承载机制相匹配，并在不同尺度下挖掘高性能结构/装备，从而满足新一代结构材料一体化设计刚需。因此，点阵结构设计规则已高度聚焦于形状、尺寸、层级结构和材料融合的系统综合设计，以匹配不同行业的设计意图，并最大限度的提高其综合性能。

目前，点阵结构的力学性能极限为δ/δ_s～(ρ/ρ_s)ⁿ或E/E_s～(E/E_s)ⁿ，其理论极限值n为1。设计者通常在多尺度下采用各类点阵结构构型以降低n值，但降低幅度有限。且受3D或者4D打印水平限制，考虑到制造难度、精度、效率和成本等因素，工业应用层面上均采用易制造的简单构型点阵结构，各项力学性能优越的形状结构复杂的点阵结构仅停留在实验室小批量试制阶段。如何实现简易构型点阵结构性能媲美高性能复杂形状结构件，并进一步扩宽高性能复杂形状结构件的性能极限，对解决点阵结构的应用潜能与优异力学性能相矛盾、力学性能难以靠近理论极限值，以及如何高效高质高性能的获取不同应用背景下的极致点阵结构体具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，针对在所存在的不足，提供一种极轻高强耐损伤点阵结构及其设计方法。为了克服现有技术的不足，本发明采用如下技术方案：

一种极轻高强耐损伤点阵结构设计方法，包括点阵结构分类划分、仿真分析与点阵结构厚度优选，

Step1：点阵结构分类划分；根据点阵结构的各个杆件的方向向量是否平行进行划分，通过提取所有杆件的方向向量从中选择任意二根杆件

若a_m1/a_n1＝a_m2/a_n2＝a_m3/a_n3不成立，则该两根杆件属于不同类型杆件；