CN112287491B - 一种复合型点阵材料及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合型点阵材料及其设计方法,包括在一定载荷条件下对给定的连续体几何结构进行拓扑分析，根据拓扑优化密度分布参数将给定的几何结构划分出不同的功能区域；在不同的功能区域采用不同的点阵化微结构设计，包括变密度、变尺度、变构型三种设计方式；根据所设计的点阵化微结构对不同的功能区域进行点阵化填充，得到复合型点阵材料结构。本发明对几何结构不同区域采用不同的点阵化微结构设计，有效结合了不同点阵类型的结构特征和性能优势，对于形状复杂的零件，点阵填充更加灵活，提高了胞元排布适应性，并减少了胞元数量，提高了点阵化填充效率，进一步减轻了材料重量实现轻量化。

Description

一种复合型点阵材料及其设计方法

技术领域

本发明属于结构轻量化和轻质材料技术领域，尤其是涉及一种复合型点阵材料及其设计方法。

背景技术

近年来，随着计算机辅助设计和增材制造技术的日臻成熟，促进了结构轻量化和轻质材料设计技术的快速发展。点阵材料因其轻质化、高比刚度、高比强度、可设计性等性能特点和抗振、抗冲击、传热散热、电磁屏蔽、吸声降噪等功能潜力，已成为国际公认的轻质高性能材料，在工程机械、航空航天、交通、建筑、医学等领域具有广泛的应用前景。

借助计算机辅助设计工具强大的计算能力，使得大规模、多维度、复杂化点阵材料设计建模成为可能，增材制造技术具有自由、快速、一体化成形的加工工艺特点，保证了复杂点阵材料的工程可制造性。目前，研究人员从微观结构优化设计方面进行探索，提出了不同类型的均匀点阵、梯度点阵、变密度点阵材料以及相关设计方法，在满足结构轻量化要求的同时有效改善了点阵材料的力学性能。

如在申请号为2020100693034的“一种参数化功能梯度立方点阵结构设计方法及材料”专利中，针对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，通过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，使冲击等动载荷作用下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。在实现结构轻量化的同时减小了冲击等动载荷作用下均匀点阵材料的应力集中问题，使结构变形和能量耗散趋于均匀化，材料分布更加合理，提高了结构的缓冲效果和吸能特性。但是，现有的点阵材料（包括均匀点阵、梯度点阵和变密度点阵等）大多为单一尺度或单一构型，面对不规则的零件和设计域时，现有的点阵材料结构适应性较差：对于单一尺度设计，如果采用较大尺度的点阵胞元进行填充，在不规则设计域的尺寸狭小区域无法保证胞元完整性，会产生大量未填充区域，限制了结构减重效果，如果采用较小尺度的点阵胞元进行填充，会大幅增加胞元数量，降低胞元填充效率；对于单一构型设计，由于复杂工况条件下零件内应力呈现非均匀分布特征，如果全部采用综合性能良好、构型复杂的点阵胞元进行填充，在应力较小区域会造成材料浪费，如果全部采用构型简单的点阵胞元进行填充，在应力较大区域可能会出现应力不足。因此在满足结构减重和力学性能要求的情况下，尤其是针对不规则设计域，怎样既能提高点阵胞元填充效率，同时能更好地实现轻量化，更大限度地发挥点阵材料的潜力成为当前结构轻量化和轻质材料技术领域需要做的一项重要工作。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种复合型点阵材料及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种复合型点阵材料设计方法，包括

步骤1：在一定载荷条件下对给定的几何结构进行拓扑分析，根据拓扑优化密度分布参数将给定的几何结构划分出不同的功能区域,划分方法为：依据拟对所述几何结构划分的功能区域等级数量，将所述拓扑优化密度分布参数划分成相同数量的区间段，将密度分布参数较大的区间段划分为同一功能区域，将密度分布参数较小的区间段划分为同一功能区域；

步骤2：在几何结构不同的功能区域采用不同的点阵化微结构设计，所述不同的点阵化微结构设计包括变密度、变尺度、变构型三种设计方式，在密度分布参数较大的区间段，采用性能良好的点阵胞元，在密度分布参数较小的区间段，采用构型简单的点阵胞元，填充得到复合型点阵结构。

进一步地，在密度分布参数较大的区间段，在采用性能良好的点阵胞元的基础上，进行变密度设计，随着密度分布参数的变化，在保持点阵胞元类型、胞元大小不变的前提下，改变不同空间位置点阵胞元的杆件尺寸，以改变胞元相对密度，密度分布参数越大的位置，点阵胞元的杆件尺寸越大。

进一步地，所述性能良好的点阵胞元为体心立方点阵胞元，也可以是其它结构稳定、力学性能良好的点阵胞元。

进一步地，在密度分布参数较小的区域，采用构型简单的点阵胞元进行变尺度设计，在保持胞元类型不变的前提下，改变不同空间位置点阵胞元大小，以改变点阵胞元的相对尺度，密度分布参数越小的位置，点阵胞元的尺寸越大。

进一步地，所述构型简单的点阵胞元为边立方点阵胞元。

进一步地，所述点阵胞元的尺寸变化与所述几何结构的设计域边缘相适应。

本发明还提供了一种复合型点阵材料，根据前面所介绍的复合型点阵材料设计方法设计的点阵结构制造出的材料。

进一步地，所述制造的方法为增材制造方法，包括选择性激光烧结、熔融沉积或光固化成型。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提出的一种复合型点阵材料及其设计方法，通过拓扑分析结果划分出几何结构的功能区域，然后在不同功能区域采用不同的点阵化微结构设计。与现有的均匀点阵、单一尺度、单一构型点阵材料相比，本发明根据密度参数分布规律和设计需求，不同区域选用不同的点阵胞元类型和设计方式，通过变密度、变尺度、变构型设计，有效结合了不同点阵类型的结构特征和性能优势，点阵排布更加合理；尤其是对于不规则形状的零件和区域，点阵填充更加灵活，提高了点阵胞元排布的适应性，减少了胞元数量，提高了点阵化填充效率，减轻了材料的重量，实现了轻量化，最大限度地发掘了点阵材料的轻量化优势和性能潜力。

附图说明

图1为本发明的复合型点阵材料及其设计方法的示意图;

图2为本发明的针对长方体规则形状的均匀点阵材料的示意图；

图3为本发明的针对长方体规则形状的复合型点阵材料示意图；

图4为本发明的三种点阵胞元排布方式的示意图,（a）为均匀体心立方点阵胞元,（b）为变密度体心立方点阵胞元,（c）为变尺度边立方点阵胞元,（d）为体心立方-边立方变构型点阵胞元;

图5为本发明的针对形状不规则区域的点阵结构的示意图,（a）为胞元边长为a ₁ 的单尺度点阵,（b）为为胞元边长a ₂ =0.5a ₁ 的单尺度点阵,（c）为胞元边长可变的变尺度点阵;

图6为本发明的针对某型连接零件的复合型点阵结构的示意图,（a）为某型连接零件三维模型,（b）为均匀点阵零件模型,（c）为复合型点阵零件模型。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：规则几何结构的复合型点阵材料设计。

图1至图4给出了本发明一种复合型点阵材料及其设计方法的第一种具体实施例，包括：

步骤1：在一定载荷条件下对给定的连续体几何结构进行拓扑分析，根据拓扑优化密度分布参数将给定的几何结构划分出不同的功能区域；

步骤1中根据拓扑优化密度分布参数将给定的几何结构划分出不同的功能区域的方法是：依据拟对所述几何结构划分的功能区域等级数量，将所述拓扑优化密度分布参数划分成相同数量的区间段。本实施例中对于给定的长方体规则几何结构，外尺寸为80×160×40mm，几何结构低部两端位置受固定支撑，上部中间位置承受集中平压载荷作用，F=100N，在平压载荷下进行拓扑分析，得到拓扑优化密度分布如图1所示，根据步骤1划分功能区域。本实施例中拟将连续体几何结构划分成两个功能区域，如图1所示的第一功能区域和第二功能区域。拓扑优化分析结果得到的密度分布参数在[0，1]区间内，将密度分布参数大于等于0.5的定义为第一功能区域，将密度分布参数小于0.5的定义为第二功能区域。当然，拓扑优化分析结果也可以是有限元分析得到的应力分布参数，将应力分布参数归一化后得到的结果也是[0，1]区间，也可以根据功能区域的数量将应力分布参数划分成相同数量的区间段。功能区等级划分可以是两级、三级或者更多级，则可以将密度分布参数划分成两段、三段或多段。

步骤2：在几何结构不同的功能区域采用不同的点阵化微结构设计，得到复合型点阵结构。

本实施例中将密度分布参数或应力分布参数较大的区间段划分为同一功能区域，称为第一功能区域，在该功能区域采用性能良好的点阵胞元，如体心立方点阵胞元，如图4（a）所示，该胞元杆件连接牢固，结构稳定性较好，具有良好的抗压、抗弯性能，也可以是其它结构稳定、力学性能良好的点阵胞元，如OctetFrame点阵胞元。同时在采用性能良好的点阵胞元的基础上，随着拓扑优化分析结果密度分布参数的变化，在保持点阵胞元类型、胞元大小即胞元边长尺寸a不变的前提下，改变不同空间位置点阵胞元的杆件尺寸t，以改变点阵胞元相对密度，在拓扑优化分析结果密度分布参数越大的位置，点阵胞元的杆件尺寸t越大。如图4（b）所示变密度胞元的排布方式，取胞元边长尺寸a=10mm，保持胞元类型和胞元边长尺寸a不变，通过改变杆件尺寸t改变胞元相对密度,杆件尺寸由t₁变为t₂。采用变密度设计获得更佳的材料分布和更优的传力路径，使结构发挥出良好的承载功能。

本实施例中将密度分布参数或应力分布参数较小的区间段划分为另一功能区域称第二功能区域，在该功能区域采用构型简单的点阵胞元，如边立方点阵胞元，边立方点阵胞元由于自身的框架型连接方式，结构稳定性较差，属于性能一般但构型简单的点阵胞元类型。同时在保持胞元类型不变的前提下，改变不同空间位置点阵胞元大小，以改变点阵胞元的相对尺度，密度分布参数越小的位置，点阵胞元的尺寸越大。

对第二功能区域，采用变尺度点阵设计。如图1所示，浅色区域表示拓扑优化密度分布参数小于0.5，为第二功能区域。在第二功能区域选择构型简单的点阵胞元，本实施采用边立方点阵胞元，变尺度胞元排布方式如图4（c）所示，取胞元边长尺寸a ₁ =10mm，a ₂ =20mm，保持胞元类型不变，通过改变胞元边长尺寸a改变胞元大小和相对尺度，也可以是其它构型简单的点阵胞元，如面心立方点阵胞元。采用变尺度设计减少胞元数量，进一步减轻结构重量，使结构具有更好的轻量化优势。

第一功能区域和第二功能区域分别选用不同点阵胞元类型，属于变构型设计，胞元排布方式如图4（d）所示，保持胞元边长尺寸a相同，胞元类型及杆件连接方式不同。当区域内胞元密度或尺度变化幅度较小时，点阵排布近似于图2所示的常见的均匀点阵材料，即胞元类型、胞元边长尺寸和杆件尺寸都相同。通过变密度、变尺度、变构型三种设计方式进行合理规划，最终得到长方体规则形状的复合型点阵材料。

复合型点阵材料与均匀点阵材料的的结构和性能参数如表1所示。均匀点阵材料如图2所示，第一、二功能区的胞元类型、胞元尺寸和设计方式相同，采用体心立方胞元进行均匀化设计，胞元尺寸（a=10mm, t=1.4mm），第一、二功能区胞元数量分别为264和246，用体积和密度乘积表示重量，通过几何计算得到重量分别为89413ρ和83994ρ，ρ表示材料密度。复合型点阵材料如图3所示，第一、二功能区的胞元类型、胞元尺寸和设计方式不同，在第一功能区，采用体心立方胞元进行变密度设计，选择密度等级为两级，密度等级按照密度分布参数划分，密度分布参数[0.5,0.7]之间的为第一密度级，（0.7,1]之间的为第二密度级，胞元尺寸分别为（a=10mm, t=1.2mm）和（a=10mm, t=1.8mm），胞元数量分别为168和96，通过几何计算得到第一功能区重量为91902ρ；在第二功能区，采用边立方胞元进行变尺度设计，选择尺度等级为两级，尺度等级按照密度分布参数和设计形状划分，密度分布参数越小的位置，点阵胞元的尺寸越大，密度分布参数[0,0.2]之间的为第一尺度级，（0.2,0.5）之间的为第二尺度级，且胞元尺寸变化与设计域边缘相适应，胞元尺寸分别为（a=20mm, t=1.2mm）和（a=10mm, t=1.2mm），胞元数量分别为6和200，通过几何计算得到第二功能区重量为30938ρ。当然在实际应用中，密度等级和尺度等级可以根据具体的工况环境和设计域形状进行调整，对于某一区域采用变密度或变尺度点阵设计，如果设置两级和三级密度或尺度等级都可以满足设计需求，由设计人员决定采用几级密度或尺度。根据如图2和图3所示的两种点阵材料的模型，在有限元软件ANSYS Workbench中进行材料性能仿真计算，设定载荷为F=100N，材料为steel，进行仿真并读取仿真结果：均匀点阵材料最大应力σ _max =8.02 MPa，最大变形量Δ _max =0.00049mm；复合型点阵材料最大应力σ _max =3.88 MPa，最大变形量Δ _max =0.00038mm。

表1. 复合型点阵材料与均匀点阵材料的结构和性能参数表

对比复合型点阵材料和均匀点阵材料的结构和性能参数可以发现：复合型点阵材料与均匀点阵材料相比，在第一功能区，胞元数量不变，重量增加2488ρ，增重比为2.7%，重量变化较小；在第二功能区，胞元数量减少42个，减量比达到16%，重量减少53056ρ，减重比达到63%，胞元数量和重量明显减少。复合型点阵材料整体胞元数量减少8%，重量减少29%。在相同载荷作用下，复合型点阵材料最大应力降低51%，材料最大变形量降低22%。该实施例说明了采用本发明提出的复合型点阵设计可以有效减少胞元数量，提高点阵化填充效率，进一步减轻了结构重量，同时，提高了点阵材料的力学性能。

实施例二：形状不规则区域的变尺度点阵结构设计。

图5给出了本发明一种复合型点阵材料及其设计方法的第二种具体实施例。

本实施例为针对形状不规则区域的变尺度点阵结构。现有技术方案，对于大尺寸、不规则设计区域，单一尺度点阵胞元的适应性较差。在进行点阵填充时，为保证点阵胞元的完整性，尺寸约束条件为填充区域最小尺寸大于点阵胞元边长尺寸。如图5（a）所示，给定设计域中，如果选用尺度较大的点阵胞元，记胞元边长为a ₁ ，胞元数量为n ₁ ，在尺寸狭小区域无法保证胞元完整性，会产生大量未填充区域，限制了结构减重效果；如图5（b）所示，如果选用尺度较小的点阵胞元，记胞元边长为a ₂ ，当a ₂ =0.5a ₁ ，则胞元数量n ₂ =4n ₁ ，胞元数量呈几何级增长，会大幅增加点阵胞元填充数量，降低建模效率。为解决这一问题，本发明采用变尺度设计，根据不规则区域形状，改变不同空间位置对应的点阵胞元的边长尺寸a ₁ …a _n ，即改变胞元大小相对尺度，得到变尺度点阵材料如图5（c）所示，胞元边长尺寸从a ₁ 逐步变化到a _n ，使得胞元排布和整体材料分布逼近于设计域形状，在实现结构轻量化的同时减少点阵胞元数量，从而有效提高点阵材料的适应性和建模效率。

实施例三：某型连接零件的复合型点阵结构设计。

图6给出了本发明一种复合型点阵材料及其设计方法的第三种具体实施例。

本实施例为针对某型连接零件的复合型点阵结构设计，零件三维模型如图6（a）所示。在零件中间部分存在较大的连续性实体，是进行结构轻量化的主要设计区域。基于点阵材料的轻量化方案是保持零件外部几何形状和尺寸不变，保留一定的边缘厚度，在中间区域采用点阵材料进行填充，以减轻零件重量。常见的点阵材料采用简单的单一构型、单一尺度、均匀点阵胞元排布，得到的均匀点阵零件模型如图6（b）所示。该方案结构简单，易于建模，但是，从轻量化的角度讲，还有很大的减轻重量的空间。

使用本发明所提的技术方案对某型连接零件进行复合点阵结构设计。首先进行零件的拓扑优化分析，根据得到的密度分布划分功能区域。第一、二功能区的胞元类型、胞元尺寸和设计方式不同。在第一功能区域选择性能优良的体心点阵胞元，采用变密度设计，胞元类型和胞元边长尺寸a不变，通过改变杆件尺寸t改变胞元相对密度，密度等级为两级，按照实施例一中的规则进行等级划分，以获得更佳的材料分布和更优的传力路径。在第二功能区域选择构型简单的边立方点阵胞元，胞元类型不变，通过改变胞元边长尺寸a改变胞元相对尺度，尺度等级为两级，采用变尺度设计，以提高胞元排布适应性和点阵化填充效率。通过变密度、变尺度、变构型设计，最终，得到复合型点阵零件如图6（c）所示。对比复合型点阵零件和均匀点阵零件的结构可以发现：通过变密度、变尺度、变构型设计可以有效结合不同点阵类型的结构特征和性能优势，提高胞元排布适应性，减少点阵胞元数量，达到既能满足材料应力要求的目的，又能提高点阵化填充效率，进一步减轻结构重量。

本发明还提供了一种复合型点阵材料，对于连续体几何结构根据上面的复合型点阵材料设计方法设计的点阵结构制造出的材料。在本实施例中制造的方法为增材制造技术或者选择性激光烧结、熔融沉积成型或光固化成型。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种复合型点阵材料设计方法，其特征在于，包括:

步骤1：根据给定的载荷条件对给定的几何结构进行拓扑分析，根据拓扑分析结果即拓扑优化密度分布参数将给定的几何结构划分出不同的功能区域,划分方法为：依据拟对所述几何结构划分的功能区域等级数量，将所述拓扑优化密度分布参数划分成相同数量的区间段，将位于同一区间段的密度分布参数所在区域划分为同一功能区域；

步骤2：在几何结构不同的功能区域采用不同的点阵化微结构设计，所述不同的点阵化微结构设计包括变密度、变尺度、变构型三种设计方式，在密度分布参数值分布较大的区间段，采用性能良好的点阵胞元，进行变密度设计，在保持点阵胞元类型、胞元大小不变的前提下，改变不同空间位置点阵胞元的杆件尺寸，以改变点阵胞元相对密度，在密度分布参数值分布较小的区间段，采用构型简单的点阵胞元，进行变尺度设计，在保持胞元类型不变的前提下，改变不同空间位置点阵胞元大小，以改变点阵胞元的相对尺度，填充得到复合型点阵结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在改变不同空间位置点阵胞元的杆件尺寸时，随着密度分布参数的变化，密度分布参数越大的位置，点阵胞元的杆件尺寸越大。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述性能良好的点阵胞元为体心立方点阵胞元。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在改变不同空间位置点阵胞元大小时，密度分布参数越小的位置，点阵胞元越大，且胞元尺寸变化与所述几何结构的设计域边缘相适应。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述构型简单的点阵胞元为边立方点阵胞元。

6.一种复合型点阵材料，其特征在于，根据权利要求1至5中任一项所述的复合型点阵材料设计方法设计的点阵结构制造出的材料。

7.根据权利要求6所述的一种复合型点阵材料，其特征在于，所述制造的方法为增材制造方法，包括选择性激光烧结、熔融沉积或光固化成型。

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