CN112836417B - 一种含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法
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：
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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明初始的TPMS单胞；
图3为本发明实施例中初始单胞在Y方向单轴压缩的应力等值线示意图；
图4为本发明实施例中在初始TPMS单胞上布设的笼式加强肋示意图；
图5为本发明含笼式加强肋的TPMS单胞示意图；
图6为本发明含笼式加强肋TPMS多孔材料模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法(如图1所示)，包括：
步骤一、构建初始三周期极小曲面TPMS单胞。基于TPMS法生成的壳型结构表现出更优越的力学性能。
TPMS体系结构由无限延伸、光滑和连续的表面组成，这些表面在三个正交方向上具有周期性，表面的平均曲率为零。其方程如下：
cos(2πωX)+cos(2πωY)+cos(2πωZ)＝C
其中，X、Y、Z为空间直角坐标系三个坐标，ω与结构的周期长度L有关(L＝1ω)，常数C与结构的孔隙率有关，从-1到1不等。一般来说，结构开口随着C的增大而变窄。本实施例中取极小曲面开口为C＝0，设置壁厚为1mm，单胞大小为40mm×40mm×40mm。
通过方程使用MATLAB软件的等值面提取技术建立三周期极小曲面，建模过程数据以STL模型数据格式进行存储。STL格式的模型文件主要包括点、线、面三中集合，对于极小曲面建模建模过程中需要对这些集合数据进行分类存储和组合。
通过STL模型数据导入Geomagic Design拟合得到光滑三周期极小曲面，此时将数据格式转换为IGS。将IGS格式的模型数据导入SolidWorks软件。通过加厚曲面使三周期极小曲面生成实体模型。如图2所示。
本发明所选定的三周期极小曲面可以看成是周期性的极小曲面函数，“三周期”指它在欧式空间上沿着X轴、Y轴、Z轴方向曲面形状都是呈现出周期性的变化特点，整个被三周期极小曲面充斥的空间都是由类似的小立体单元组成。
使用三周期极小曲面工具进行多孔设计，针对模型内部结构的控制主要使用曲率设置、孔隙密度以及曲面壁厚参数的设定与修改。曲率以及孔隙密度都可以控制质量，但是它们对于质量的控制是随机的，因此一般的多孔结构设计都是使用修改曲面壁厚方式进行。对于多孔结构的厚度设置，需根据实际需求所得，然后进行迭代优化去逼近这个实际质量值。
步骤二、将得到的初始TPMS单胞导入ANSYS-workbench，通过施加位移载荷，计算在周期边界条件下单胞的单轴压缩过程。应力等值线图如图3所示。单胞受压失稳的塑性带及应力带集中为单胞的赤道以及与赤道面平行的纬线圈。
步骤三、在SolidWorks软件中，以单胞的赤道、纬线圈、与纬线圈垂直的经线圈以及单胞开口边界线圈为加强肋布设方向，使用投影曲线功能在胞元曲面上作经纬线，以此经纬线作为加强肋的中心线，在曲线两端垂直于曲线做两个直径为2mm的圆，通过软件的扫描建模功能沿线在曲面上做加强肋，生成直径为2mm圆柱形加强肋，如图4所示。通过软件的组合功能，将加强肋与胞元组合成为一个整体，如图5所示。
步骤四、将建好的含笼式加强肋的TPMS单胞沿三个坐标周期复制组合，形成含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料模型，如图6所示。加强肋与初始极小曲面壁连接处采用倒角过渡处理，以降低应力集中。最后导出STL格式文件，采用3D打印机一体成型制备多孔材料。
本发明的优势在于：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。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法，其特征在于，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。
5.根据权利要求4所述的含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法，其特征在于，基于施加位移载荷计算得到所述塑性带和应力等值线。
6.根据权利要求1所述的含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求1所述的含笼式加强肋三周期极小曲面多孔材料设计方法，其特征在于，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。
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