CN110389070B - 确定高强度和高弹性点阵材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种确定高强度和高弹性点阵材料的方法，包括以下步骤：s1.准备多种不同单胞位姿的点阵材料；s2.对所述点阵材料进行静态压缩实验，并从实验结果中得到的对应点阵材料应力‑应变关系曲线，从而确定出高强度和高弹性的点阵材料；本发明通过上述研究方法得到一种高强度点阵材料和高弹性点阵材料。

Description

确定高强度和高弹性点阵材料的方法
技术领域
本发明涉及材料结构技术领域，尤其涉及一种确定点阵结构的研究方法和通过该研究方法得到的高强度点阵材料和高弹性点阵材料。
背景技术
点阵结构由于其具有优异的力学性能与多功能特性，被广泛应用于航空航天、交通、医疗等领域。而确定点阵结构的力学性能，是点阵结构的实际应用的基础，目前对于点阵结构力学性能的分析主要通过理论计算、有限元仿真、实验等研究方法，研究包括长径比、相对密度、不同构型、加载方向等对结构的力学参数如弹性模量、极限应力、泊松比等的影响。对于影响点阵结构力学性能的研究点，还未涉及点阵结构的位姿。
发明内容
本发明的目的是分析单胞位姿对点阵材料力学参数的影响，通过有限元仿真模拟准静态压缩实验，评估6种不同位姿的点阵结构的力学性能，依据仿真结果求解单胞位姿与结构力学性能的关系，并根据实验结果得到一种高强度和高弹性的点阵材料。
本发明的一种确定高强度和高弹性点阵材料的方法，包括以下步骤：
s1.准备多种不同单胞位姿的点阵材料；
s2.对所述点阵材料进行静态压缩实验，并从实验结果中得到的对应点阵材料应力-应变关系曲线；
进一步的，步骤s1中，选取单胞为八面体结构的点阵材料，并设置单胞的对称轴与垂直方向具有不同的角度。
进一步的，所述单胞的对称轴与垂直方向的角度选取0°、10°、20°、30°、40°与45°。
本发明的一种高强度点阵材料，其包括多个周期性重复排列的点阵单胞，所述点阵单胞的对称轴与垂直方向的夹角为45°。
本发明的一种高弹性点阵材料，其包括多个周期性重复排列的点阵单胞，所述点阵单胞的对称轴与垂直方向的夹角为20°。
本发明的有益效果为：
采用本研究方法可以评估出不同单胞位姿的点阵结构的力学性能；同时，根据实验结果获得强度最高以及弹性最好的点阵材料。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：
图1(a)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取0°的点阵结构的二维示意图；
图1(b)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取0°的点阵结构的三维示意图；
图2(a)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取10°的点阵结构的二维示意图；
图2(b)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取10°的点阵结构的三维示意图；
图3(a)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取20°的点阵结构的二维示意图；
图3(b)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取20°的点阵结构的三维示意图；
图4(a)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取30°的点阵结构的二维示意图；
图4(b)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取30°的点阵结构的三维示意图；
图5(a)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取40°的点阵结构的二维示意图；
图5(b)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取40°的点阵结构的三维示意图；
图6(a)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取45°的点阵结构的二维示意图；
图6(b)为本发明中单胞的对称轴与垂直方向的角度选取45°的点阵结构的三维示意图；
图7为本发明中加载力沿x方向获取的应力应变曲线；
图8为本发明中加载力沿y方向获取的应力应变曲线；
图9为本发明中不同加载方向得到的样件弹性模量对比图；
图10为本发明中不同加载方向得到的样件极限应力对比。
具体实施方式
如图所示，本实施例的一种确定高强度和高弹性点阵材料的方法，包括以下步骤：
s1.准备多种不同单胞位姿的点阵材料；本实施例中选取六种八面体单胞结构的点阵材料作为实验对象，其中，单胞中杆长为4mm,杆径为0.4mm，六种点阵材料的单胞对称轴与垂直方向具有不同的角度θ，随着角度θ的变化，结构构型具有周期性，故取一个周期内的角度θ，分别取θ为0°、10°、20°、30°、40°与45°的结构作为研究对象，几何结构如图1-6所示。
s2.对所述点阵材料进行静态压缩实验，并从实验结果中得到的对应点阵材料应力-应变关系曲线；使用万能压缩试验机对6种点阵材料模型进行准静态压缩实验性能验证，从实验结果中得到的应力-应变关系曲线如图7、图8所示，图7与图8分别从x方向与y方向压缩实验样件获取的应力应变曲线。由于实验样件间具有不同位姿θ与不同的实验加载方向，所以每个实验样件具有不同的力学性能。从图2中可以发现，在弹性阶段经典模型BCC结构与θ＝0°、10°、20°、30°结构有相近的倾斜角度，而θ＝40°与45°有较大的倾斜角度；对比各个样件的极限应力，θ＝20°的结构具有最小的极限应力，θ＝40°的结构具有最大的极限应力，BCC结构的极限应力处于中等水平。对比图2与图3，由于竖直杆的存在，加载方向对θ＝45°结构的力学性能影响最大，而其余结构的力学参数也存在一定程度的下降。依据应力应变曲线可以直接确定极限应力σ，通过计算线弹性阶段的斜率可以求解样件的弹性模量E，计算得到的参数值如表1所示。
表1所有样件的弹性模量与极限应力参数值
Figure GDA0003161180640000041
对比分析不同样件的力学参数可以发现：在不同的加载方向下，θ＝40°的结构均具有最好的力学性能，x方向加载时的弹性模量与极限应力分别为608.93MPa与14.8MPa，y方向加载时的弹性模量与极限应力分别为399.4MPa与11.19MPa.对于各向异性的结构中θ＝0°、10°与20°结构x方向与y方向的力学性能参数值相近，相差百分比在8％～27％之间。除θ＝30°结构的极限应力除外，其余结构x方向的力学性能较y方向的力学性能好，如图9与图10条形图所示，其中两个方向中弹性模量与极限应力相差较大的是θ＝45°的结构，分别相差6.2倍与1.8倍。与经典模型BCC结构的力学性能对比，θ＝40°结构的x方向与y方向的力学参数值分别为BCC结构的7.3倍、2.7倍与4.8倍2.0倍。
本发明的一种高强度点阵材料，其包括多个周期性重复排列的点阵单胞，所述点阵单胞的对称轴与垂直方向的夹角为45°。
本发明的一种高弹性点阵材料，其包括多个周期性重复排列的点阵单胞，所述点阵单胞的对称轴与垂直方向的夹角为20°。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种确定高强度和高弹性点阵材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.准备多种不同单胞位姿的点阵材料；
s2.对所述点阵材料进行静态压缩实验，并从实验结果中得到的对应点阵材料应力-应变关系曲线，从而确定出高强度和高弹性的点阵材料；
步骤s1中，选取单胞为八面体结构的点阵材料，并设置单胞的对称轴与垂直方向具有不同的角度。
2.根据权利要求1所述的确定高强度和高弹性点阵材料的方法，其特征在于：所述单胞的对称轴与垂直方向的角度选取0°、10°、20°、30°、40°与45°。
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