CN106599349A - 一种基于球类孔隙的构件失效可控设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于球类孔隙的构件失效可控设计方法，包括如下步骤：（1）根据设计要求设计出所需要的构件的原始模型；（2）对原始模型进行实际工况下的有限元、光弹实验分析步骤，得到分析数据；（3）结合分析数据，在指定的位置填充球状单元体，设计出具有球状孔隙的多孔材料，获得构件的初期模型；（4）对初期模型进行力学分析，根据构件的需求对在关键形变位置的球状孔隙采用梯度材料。本发明的有益效果是：本发明结合梯度材料和球状单元体多孔材料，在满足力学性能的同时，使得构件在超负荷大载荷时失效变得可控，并使用最优的先进制造方法制造可控失效构件。

Description

一种基于球类孔隙的构件失效可控设计方法
技术领域
本发明涉及结构设计技术领域，尤其涉及一种基于球类孔隙的构件失效可控设计方法。
背景技术
多孔材料，多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，多孔材料普遍存在于大自然中，大自然经过长期的自然选择，证明多孔材料是一种比致密材料更为优秀的承力结构，但目前针对多孔材料转化为工程材料的方法还是缺失的。
球具有优良的力学性能，数学表达精简，其结构的特殊性使其能很好的表达出多孔材料的数学模型。
发明内容
本发明提供了一种基于球类孔隙的构件失效可控设计方法，包括如下步骤：
(1)根据设计要求设计出所需要的构件的原始模型；
(2)对原始模型进行实际工况下的有限元、光弹实验分析步骤，得到分析数据；
(3)结合分析数据，在指定的位置填充球状单元体，设计出具有球状孔隙的多孔材料，获得构件的初期模型；
(4)对初期模型进行力学分析，根据构件的需求对在关键形变位置的球状孔隙采用梯度材料。
作为本发明的进一步改进，该构件失效可控设计方法还包括：
(5)针对做出的改动在更改材料的相邻区域合理调配、变换球状孔隙，避免产生应更换材料而导致的应力集中问题，形成构件的后期模型；
(6)对替换材料后建立的模型使用有限元、光弹实验分析，分析在更换材料后是否出现有强度明显降低问题，若强度性能指标不符合设计要求则重复步骤(4)、步骤(5)直到步骤(5)中的模型满足设计需求，得到构件的最终模型；
(7)对步骤(6)中的最终模型进行制造，既得具有定向失效功能的高安全性部件。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤(3)中，所述球状孔隙包括球、球壳、含有孔洞的球壳以及球的拓扑结构。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤(4)中，所述关键形变位置是指限制构件形变的关键区域，包括球状孔隙间的连接点、中心球状单元。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤(4)中，所述梯度材料包括球状孔隙平行于载荷方向的材料特性由两端刚度大强度低过渡到中间的普通或高强度材料的材料。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤(4)中，所述梯度材料包括球连接点到球状孔隙的材料特性由刚度大强度低到普通或高强度的材料。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤(7)中，对最终模型通过注塑近净成形技术或增材制造方法进行制造。
本发明的有益效果是：本发明结合梯度材料和球状单元体多孔材料，在满足力学性能的同时，使得构件在超负荷大载荷时失效变得可控，并使用最优的先进制造方法制造可控失效构件。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明公开了一种基于球类孔隙的构件失效可控设计方法，包括如下步骤：
(1)根据设计要求设计出所需要的构件的原始模型；
(2)对原始模型进行实际工况下的有限元、光弹实验分析步骤，得到分析数据；
(3)结合分析数据，在指定的位置填充球状单元体，设计出具有球状孔隙的多孔材料，获得构件的初期模型；
(4)对初期模型进行力学分析，根据构件的需求对在关键形变位置的球状孔隙采用梯度材料；
(5)针对做出的改动在更改材料的相邻区域合理调配、变换球状孔隙，避免产生应更换材料而导致的应力集中等问题，形成构件的后期模型；
(6)对替换材料后建立的模型使用有限元、光弹实验等分析，分析在更换材料后是否出现有强度明显降低等问题，若强度等性能指标不符合设计要求则重复步骤(4)、步骤(5)直到步骤(5)中的模型满足设计需求，得到构件的最终模型；
(7)对步骤(6)中的最终模型进行制造，既得具有定向失效功能的高安全性部件。
在所述步骤(3)中，所述球状孔隙包括但不限于球、球壳、含有孔洞的球壳以及球的拓扑结构(椭圆)等。
在所述步骤(4)中，所述关键形变位置是指限制构件形变的关键区域，包括但不限于球状孔隙间的连接点、中心球状单元等。
在所述步骤(4)中，所述梯度材料包括但不限于球状孔隙平行于载荷方向的材料特性由两端刚度大强度低过渡到中间的普通或高强度材料的梯度材料。
在所述步骤(4)中，所述梯度材料包括但不限于球连接点到球状孔隙的材料特性由刚度大强度低到普通或高强度的梯度材料等。
在所述步骤(7)中，对最终模型通过近净成形技术或增材制造方法进行制造。
本发明的基于球类孔隙的构件失效可控设计方法，具体建立在非均匀性材料和增材制造上，通过合理设计不同地方的材料种类从而达到所设计的构件在超设计范围应力条件下可控的失效，从而使构件按照设计定向失效。本发明的设计方法解决了构件在超设计范围应力条件下失效时的安全问题，可以保障复杂情况下工作的机械部件失效变得安全、可控，提高产品的整体安全性能。
本发明在关键形变区域更换单元体材料为梯度材料，进而提升构件运行时的安全性。本方法适用于在复杂严酷环境工作的部件，增加部件在超负荷工况下失效时的安全性，从而提升产品可靠性。
本发明针对不同的构件设计要求和实际工况以及可能遇到的超负荷大载荷选择不同的梯度材料，对关键形变区域进行材料的更换，通过非均匀材料的特性，在满足力学性能的情况下，使得构件遭遇超负荷大载荷时仅部分结构率先破坏吸收能量而整体完整或整体按照预定方向破裂，进而解决了复杂恶劣工况下工作的构件失效时的安全性问题，相比较现有技术能使构件失效由不可控变得安全、可控。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于球类孔隙的构件失效可控设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据设计要求设计出所需要的构件的原始模型；
(2)对原始模型进行实际工况下的有限元、光弹实验分析步骤，得到分析数据；
(3)结合分析数据，在指定的位置填充球状单元体，设计出具有球状孔隙的多孔材料，获得构件的初期模型；
(4)对初期模型进行力学分析，根据构件的需求对在关键形变位置的球状孔隙采用梯度材料。
2.根据权利要求1所述的构件失效可控设计方法，其特征在于：该构件失效可控设计方法还包括：
(5)针对做出的改动在更改材料的相邻区域合理调配、变换球状孔隙，避免产生应更换材料而导致的应力集中问题，形成构件的后期模型；
(6)对替换材料后建立的模型使用有限元、光弹实验分析，分析在更换材料后是否出现有强度明显降低问题，若强度性能指标不符合设计要求则重复步骤(4)、步骤(5)直到步骤(5)中的模型满足设计需求，得到构件的最终模型；
(7)对步骤(6)中的最终模型进行制造，既得具有定向失效功能的高安全性部件。
3.根据权利要求1所述的构件失效可控设计方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，所述球状孔隙包括球、球壳、含有孔洞的球壳以及球的拓扑结构。
4.根据权利要求1所述的构件失效可控设计方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，所述关键形变位置是指限制构件形变的关键区域，包括球状孔隙间的连接点、中心球状单元。
5.根据权利要求1所述的构件失效可控设计方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，所述梯度材料包括球状孔隙平行于载荷方向的材料特性由两端刚度大强度低过渡到中间的普通或高强度材料的材料。
6.根据权利要求1所述的构件失效可控设计方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，所述梯度材料包括球连接点到球状孔隙的材料特性由刚度大强度低到普通或高强度的材料。
7.根据权利要求2所述的构件失效可控设计方法，其特征在于，在所述步骤(7)中，对最终模型通过近净成形技术或增材制造方法进行制造。
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