CN117828880A - 一种多孔螺旋层状仿生结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于螺旋层状结构技术领域，提供了一种多孔螺旋层状仿生结构设计方法，所述方法包括：从螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构特点出发，通过对螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构的相似性分析和提取，提取出主要结构元素和结构机理，根据螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构特点进行结构特征提取与融合，建立一个三维宏观的初步多孔螺旋层状仿生结构，并确立每个元素及其尺寸的范围，用于结构构造和尺寸参数优化，本发明内容：可以提高零件的抗压、抗冲击能力。
Description
技术领域
本发明属于螺旋层状结构技术领域，尤其涉及一种多孔螺旋层状仿生结构设计方法。
背景技术
多孔结构广泛存在于自然界的天然材料或生物中，因其具有很高的比强度和比刚度、高能量吸收效率、良好的隔音效果在工程领域有着广泛的应用，在吸能结构设计方面备受关注，具有很好的应用前景和重要的工程实际意义。
螳螂虾胸前的附足形如垂头一样，附足外壳微观结构中嵌入了一种基质性很强的几丁质基质层相，基质层从上到下螺旋层状排列，能够很好的减缓冲击对螳螂虾附足外壳的损伤，马尾的结构特征在于其具有圆柱形的多细胞结构，薄壁结构具有显著的能量吸收能力、极轻的重量优异的抗冲击性能。
螺旋层状结构广泛存在于生物体的组织和器官中，例如，许多植物的茎、藤蔓以及动物的壳和角等都呈现出螺旋层状的排列方式；因其具有良好的强度、能量吸收、在机械、建筑、汽车、航空航天、医疗等领域得到广泛应用；螺旋层状结构在受到压缩载荷或冲击载荷时以基质和界面多种失效为主，螺旋层状结构损伤较为复杂；基质失效发生在层内，夹层失效和分层发生在层间，在连续损伤力学的基础上建立损伤模型对层内和层间的损伤机制进行分析；基于螺旋层状结构的损伤特点对螺旋层状结构进行重新设计。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种多孔螺旋层状结构设计方法，旨在解决背景技术中确定的现有技术存在的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种多孔螺旋层状仿生结构设计方法，所述方法包括：
从螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构特点出发，通过对螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构的相似性分析和提取，提取出主要结构元素和结构机理；
根据螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构特点进行结构特征提取与融合，建立一个三维宏观的初步多孔螺旋层状仿生结构，并确立每个元素及其尺寸的范围，用于结构构造和尺寸参数优化；
通过响应曲面法分析对多孔螺旋层状仿生结构的结构参数对吸能性能的影响规律，对初步多孔螺旋层状仿生结构进行优化设计，得到最优吸能性能的多孔螺旋层状仿生结构的结构参数；
使用最优吸能性能的多孔螺旋层状仿生结构的结构参数构建多孔螺旋层状仿生结构。
优选地，在得出吸能优异的多孔螺旋层状仿生结构之后，所述方法还包括：
通过准静态压缩仿真试验验证多孔螺旋层状仿生结构的性能；
通过增材制造技术进行多孔螺旋层状仿生结构制备，并进行准静态压缩试验，验证仿真试验准确性。
优选地，所述多孔螺旋层状仿生结构包括：多孔螺旋层状仿生结构1由单元层11螺旋组成，单元层为圆柱体并且层之间共用一个平面，每一单元层相对于上一层扭转一定角度，扭转方向为顺时针或逆时针，每个单元层上分布着多胞薄壁结构单元111，多胞薄壁111为六边形嵌套六边形，两个六边形各端点相对应并由支柱连接，各部分厚度一致。
优选地，所述初步多孔螺旋层状仿生结构层内的六边形嵌套六边形尺寸角度α＝125°，取值范围为115°-135°，边长A＝2.5mm，取值范围为1.5mm-3.5mm，间距B＝0.5mm，取值范围为0.2mm-0.8mm，边距C＝1.25mm，取值范围为1mm-1.5mm，厚度D＝0.6mm，取值范围为0.4mm-0.8mm，层间角θ＝45°，取值范围0°-90°，单层厚度为E＝8mm，结构高度F＝58.4mm，结构直径φ＝45mm；
优选地，在优化设计后的多孔螺旋层状结构中，结构参数为：六边形嵌套六边形尺寸角度α＝115°，边长A＝3.5mm，间距B＝0.78mm，边距C＝1.5mm，厚度D＝0.8mm，层间角θ＝82°，单层厚度为E＝8mm，结构高度F＝58.4mm，结构直径φ＝45mm。
一种应用如上述所述的一种多孔螺旋层状结构方法所设计得到的多孔螺旋层状结构，所述多孔螺旋层状仿生结构由螺旋层状结构与多胞薄壁结构融合形成。
本发明实施例提供的六边形多孔螺旋层状仿生结构设计方法，本发明提供的设计方法有效解决了螺旋层状结构在受到压缩载荷或冲击载荷时以基质和界面多种失效，基于螺旋层状结构的损伤特点对螺旋层状结构进行重新设计，推动结构工程领域的发展和创新；六边形嵌套六边形多孔螺旋层状仿生结构的设计可以实现轻量化，减少材料使用量，相比传统结构，该结构具有更高的强度与刚度，同时重量更轻，由于多孔的结构设计，多孔螺旋层状仿生结构具有良好的能量吸收性能，在承受冲击或振动时，能够吸收和分散能量，从而降低结构的损伤程度和碎裂风险，六边形多孔螺旋层状仿生结构具有优异的强度和稳定性，其独特的几何形状可以提供均匀分布的应力，有效抵抗外部载荷和冲击负荷；经过优化的工艺参数,可以提高零件的成形精度、改善表面质量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构螳螂虾附足外壳螺旋层状结构特征提取示意图；
图2是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构马尾草根茎多胞薄壁结构特征提取及尺寸参数示意图；
图3是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构多孔板结构示意图；
图4是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构构建过程示意图；
图5是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构及尺寸参数示意图；
图6是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构光固化3D制备；
图7是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构准静态压缩试验过程图；
图8是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构准静态压缩试验接触力-位移图；
图9是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构准静态压缩试验总吸能-位移图；
图10是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构准静态压缩试验比吸能-位移图；
图11是本发明实施例提供的多孔螺旋层状仿生结构准静态压缩试验应力-应变图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1-图2所示，从螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构特点出发，通过对螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构的相似性分析和提取，提取出主要结构元素和结构机理；
如图3-图4所示，根据螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构特点进行结构特征提取与融合，建立一个三维宏观的初步多孔螺旋层状仿生结构，并确立每个元素及其尺寸的范围，用于结构构造和尺寸参数优化；
如图3-图4所示，通过响应曲面法分析对多孔螺旋层状仿生结构的结构参数对吸能性能的影响规律，对初步多孔螺旋层状仿生结构进行优化设计，得到最优吸能性能的多孔螺旋层状仿生结构的结构参数；
如图5所示，使用最优吸能性能的多孔螺旋层状仿生结构的结构参数构建多孔螺旋层状仿生结构，通过准静态压缩仿真试验验证性能；
通过计算机辅助设计(CAD)软件创建所需的三维模型。设计完成后，将模型转换成STL格式，以便后续的打印准备工作；
切片处理：将STL格式的三维模型输入到切片软件中，进行切片处理。切片软件将模型分解为多层薄片，每层厚度为0.05mm，并生成每一层的打印路径信息，确定打印时光束照射的轨迹；
打印准备：选择光敏树脂材料，将切片软件生成的打印路径信息传输到打印机控制系统；
3D打印：启动打印机，光照强度为600mW/cm2，打印速度为50mm/h，光源照射在第一层树脂上，固化形成第一层，然后工作平台下降一定距离，使下一层树脂暴露在光源下，再次照射光束，重复这个过程直至整个模型打印完成；
后处理：完成打印后，将打印出的物体从打印平台上取下，进行去除支撑结构、清洗、固化等后处理工作；
如图7所示，进行准静态压缩实验，验证有限元仿真分析的准确性和可靠性；
结合图8-图11，本实施方式提供的六边形多孔螺旋层状仿生结构具有以下优点：有效解决了螺旋层状结构在受到压缩载荷或冲击载荷时以基质和界面多种失效，六边形嵌套六边形多孔螺旋层状仿生结构的设计可以实现轻量化，减少材料使用量，相比传统结构，该结构具有更高的强度与刚度，同时重量更轻，由于多孔的结构设计，六边形多孔螺旋层状仿生结构具有良好的能量吸收性能，在承受冲击或振动时，能够吸收和分散能量，从而降低结构的损伤程度和碎裂风险，六边形多孔螺旋层状仿生结构具有优异的强度和稳定性，其独特的几何形状可以提供均匀分布的应力，有效抵抗外部载荷和冲击负荷；因此，本发明具有很好的实用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种多孔螺旋层状仿生结构设计方法，其特征在于，所述方法包括：
从螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构特点出发，通过对螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构的相似性分析和提取，提取出主要结构元素和结构机理；
根据螳螂虾附足外壳螺旋层状结构和马尾草根茎多胞薄壁结构特点进行结构特征提取与融合，建立一个三维宏观的初步多孔螺旋层状仿生结构，并确立每个元素及其尺寸的范围，用于结构构造和尺寸参数优化；
通过响应曲面法分析对多孔螺旋层状仿生结构的结构参数对吸能性能的影响规律，对初步多孔螺旋层状仿生结构进行优化设计，得到最优吸能性能的多孔螺旋层状仿生结构的结构参数；
使用最优吸能性能的多孔螺旋层状仿生结构的结构参数构建多孔螺旋层状仿生结构。
2.根据权利要求1所述的多孔螺旋层状仿生结构设计方法，其特征在于，在得出吸能优异的多孔螺旋层状仿生结构之后，所述方法还包括：
通过准静态压缩仿真试验验证多孔螺旋层状仿生结构的性能；
通过增材制造技术进行多孔螺旋层状仿生结构制备，并进行准静态压缩试验，验证仿真试验准确性。
3.根据权利要求1所述的多孔螺旋层状仿生结构设计方法，其特征在于，所述多孔螺旋层状仿生结构包括：多孔螺旋层状仿生结构1由单元层11螺旋组成，单元层为圆柱体并且层之间共用一个平面，每一单元层相对于上一层扭转一定角度，扭转方向为顺时针或逆时针，每个单元层上分布着多胞薄壁结构单元111，多胞薄壁结构111为六边形嵌套六边形，两个六边形各端点相对应并由支柱连接，各部分厚度一致。
4.根据权利要求1所述的多孔螺旋层状仿生结构设计方法，其特征在于，所述初步多孔螺旋层状仿生结构层内六边形嵌套六边形尺寸角度α＝125°，取值范围为115°-135°，边长A＝2.5mm，取值范围为1.5mm-3.5mm，间距B＝0.5mm，取值范围为0.2mm-0.8mm，边距C＝1.25mm，取值范围为1mm-1.5mm，厚度D＝0.6mm，取值范围为0.4mm-0.8mm，层间角θ＝45°，取值范围0°-90°，单层厚度为E＝8mm，结构高度F＝58.4mm，结构直径φ＝45mm。
5.根据权利要求1所述的多孔螺旋层状结构设计方法，其特征在于，在优化设计后的多孔螺旋层状结构层内六边形嵌套六边形尺寸角度α＝115°，边长A＝3.5mm，间距B＝0.78mm，边距C＝1.5mm，厚度D＝0.8mm，层间角θ＝82°，单层厚度为E＝8mm，层与层之间共用一个平面，结构高度F＝58.4mm，结构直径φ＝45mm。
6.一种应用如权利要求1-5任一所述的一种多孔螺旋层状结构方法所设计得到的多孔螺旋层状结构，其特征在于，所述多孔螺旋层状仿生结构由螺旋层状结构与多胞薄壁结构融合形成。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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