基于MIST方法的梯度点阵结构优化设计方法

文中提出了一种基于移动阈值切面法（Moving Iso-Surface Threshold, MIST）的梯度点阵结构优化方法。优化模型以点阵结构杆件总应变能为目标函数、杆件截面积为优化变量对杆件粗细进行优化,优化目标为总应变能最小。通过长度特征参数对点阵结构疏密分布进行描述,选取长度特征参数作为优化变量,对点阵结构的疏密分布进行优化,进而提出一套包含两类变量的协同优化方法,实现了杆件粗细与疏密分布的协同优化。通过对均质点阵结构进行优化,获得了非均质的梯度点阵结构。最后通过二维和三维算例验证了方法的有效性。     

304不锈钢多层梯度点阵结构压缩性能及梯度率影响研究

采用试验与有限元分析相结合的方法研究了变密度多层梯度点阵型金属减振结构的吸能性能。首先,以体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)结构为基础单胞,分别设计了变直径BCC(Diameter BCC, DBCC)和变角度BCC(Angle BCC, ABCC)两种梯度点阵结构,并采用选择性激光融化工艺实现了304不锈钢多层梯度结构的制备。然后,对比研究了梯度点阵结构和均匀点阵结构的压缩和吸能性能。有限元仿真和实验结果均表明,DBCC结构自压缩过程开始,低密度层带动高密度层逐层坍塌,在小应变阶段具有较高的吸能效率,而应力分布不均匀导致其力学性能和整体能量吸收大小较均匀结构大幅降低。ABCC结构小应变阶段抗压性能强,压缩至大应变阶段发生逐层塌陷,一定程度上提升了结构的吸能性能,同时增大ABCC结构梯度率可有效提高结构的弹性模量和吸能特性。     

BCC点阵结构力学性能与应用

针对BCC点阵的结构特点计算出BCC点阵结构的等效弹性模量,分析点阵结构参数对其力学性能的影响.通过应用证明点阵结构在轻量化设计中具有明显优势.     

基于旋转内凹六边形的负泊松比结构力学性能研究

为提升负泊松比结构的力学性能,基于旋转刚体结构与内凹多边形结构的变形机理,将常规内凹六边形旋转一定角度,得到旋转内凹六边形负泊松比结构。首先,推导了该结构的相对密度、等效弹性模量、等效泊松比等等效性能的理论公式,并通过仿真计算加以验证。利用有限元软件LS-Dyna进行模拟计算,对比分析了旋转内凹六边形与常规内凹六边形在不同冲击速度下的动力学特性,讨论了旋转内凹六边形负泊松比结构的吸能特性与胞壁厚度、旋转角度、夹角等结构参数之间的关系。结果表明,该结构的名义应力-应变曲线具有多段平台应力特征,与同质量的常规结构相比,该结构平台应力段更长,能量吸收性能更优异。该研究为提升多胞结构的抗冲击动力学性能提供了思路。     

基于拓扑优化的泡沫填充点阵结构力学行为研究

采用拓扑优化方法设计刚度导向点阵结构,结合三维打印技术和泡沫填充技术,获得泡沫填充点阵结构,并结合材料试验机研究泡沫填充点阵结构在准静态压缩条件下的力学行为.研究结果表明,泡沫填充点阵结构相比未填充的点阵结构,初始压溃应力增大24％,能量吸收能力提高25％,增大和提高的幅值远大于点阵结构与单纯泡沫试件性能的叠加.通过研究确认,泡沫填充有改善点阵结构力学性能的作用.     

点阵截面对点阵夹芯圆柱壳性能的影响

分析点阵截面尺寸对四面体空间点阵圆柱壳结构性能的影响。分别分析在实心截面和空心截面两种情况下,截面尺寸的变化对四面体点阵圆柱壳结构的一阶频率以及结构的抗失稳性能的影响。在保证结构总质量不变情况下,利用有限元软件ANSYS计算,结果表明：点阵夹芯圆的承载能力明显优于等质量圆壳。对于实心圆截面而言,截面外轮廓尺寸B存在最优解,使结构承载能力最强。对空心截面而言,当蒙皮厚度不变,随着B的增大,结构的承载能力增强。若B为某一定值不变时,当截面外轮廓尺寸与点阵壁厚比值λ取适当值时,结构的承载能力最强,存在最优λ。点阵截面尺寸变化对结构一阶频率的影响较小。     

基于拓扑优化的变密度点阵结构体优化设计方法

点阵材料是一种超轻高强的高性能多孔材料,目前主要以等密度构建点阵结构体。在实际情况下,点阵材料的各部分承受着不同的载荷,等密度点阵材料存在性能不能充分发挥的问题。针对上述问题,将拓扑优化引入点阵材料设计中,提出一种基于均匀化方法的多尺度拓扑优化方法,实现了变密度点阵结构体的优化设计,可根据实际载荷设计出最优的变密度点阵结构体,以达到最优性能。以汽车连杆为例,与现有商业软件HyperWorks采用的梁模型点阵优化方法进行对比验证。结果表明,所提出方法优化所得连杆的轻量化效果更好,应力分布更合理。该方法生成的变密度点阵结构有着更优异的性能,更适合变密度点阵结构体的优化设计。     

基于有限元分析的货架结构力学性能研究

对货架结构进行强度校核,可缩短货架的生产周期,降低货架成本和提高货架质量。基于ANSYS有限元分析工具,对货架结构进行了有限元建模,然后进行力学性能分析,最后提出改进设计方案,为类似的结构强度分析提供借鉴,具有一定的工程实践价值。     

基于Voronoi随机模型研究多孔材料的动态特性

利用随机Voronoi技术生成2维随机模型,结合有限元分析方法系统研究多孔材料在x1-x2平面内冲击载荷作用下的动态特性.模型包含胞孔形状的不规则性和孔壁厚度的不均匀性,以及孔壁的随机不完整性.模拟结果发现,在中低速冲击时Voronoi模型并不出现如规则蜂窝模型一样的"X"和"V"形的变形,而出现几条局部随机变形带;在冲击速度比较高时,局部变形带并不明显,在冲击面端附近区域出现"I"形的变形.发现平台冲击压力和胞孔形状不规则度之间具有比较复杂的关系;很小的孔边不完整性将会造成材料强度很大的"丢失";尽管组成多孔材料的母材是理想弹-塑性材料,但应用Voronoi随机模型描述的多孔材料是一应变率敏感材料.     

兼具吸能和承载特性的梯度结构宏细观跨尺度拓扑优化设计

理想的碰撞吸能结构在吸收碰撞能量的同时应具备一定的承载能力,更好地保护人员及设备安全,而现有方法一般仅从宏观或细观单一角度进行碰撞吸能结构设计,不能很好地兼顾吸能和承载需求。构型呈梯度变化的梯度结构具有很好的碰撞吸能特性,故本文利用宏细观一体化设计思想,从宏观结构和单胞构型的两个方面出发,以结构刚度表征承载特性,负泊松比表征吸能特性,提出了兼具吸能和承载特性的梯度结构宏细观跨尺度拓扑优化方法。在宏观尺度,基于功能梯度及聚类分析思想,研究出具有刚度梯度特性的结构宏观区域划分优化方法;在细观尺度,基于能量均匀化理论建立了以结构刚度和负泊松比为目标函数的多目标拓扑优化模型。对优化得到的结构吸能与承载特性进行测试与分析,结果验证了所提出的方法能够有效地应用于防撞结构设计。     

基于Voronoi模型的钽材料孔隙率与弹性模量辨识

多孔材料的弹性模量辨识,是研究多孔材料力学性能的重要部分。采用三维Voronoi随机分布模型,研究了多孔钽在准静态载荷作用力下的力学性能。建立给定孔密度下的Voronoi随机分布模型,并以梁单元的形式构建有限元模型,通过改变梁单元直径构造同一微结构下的不同孔隙率模型,进行有限元力学分析,辨识不同孔隙率下多孔模型的等效弹性模量。对实验结果数据进行分析,验证所辨识多孔模型等效弹性模量与孔隙率关系,与实验结果一致。     

基于质心Voronoi结构的布点算法及应用

以初始点的Voronoi结构为基础,建立基于质心Voronoi结构的布点算法.该算法通过区域上的初始离散点构造Voronoi结构,利用面积坐标法确定Voronoi结构的质心点,以成本函数作为质心Voronoi结构的收敛准则.若质心点满足收敛准则,则将该质心点作为区域的离散节点.然后利用切边处理技术,实现复杂区域内的布点算法,即给出不同区域的均匀布点和非均匀布点.以长圆筒为例,采用基于Voronoi结构的布点算法对求解域进行点的离散,利用自然邻近Petrov-Galerkin无网格法计算其应力值,求得的应力值与精确值比较吻合,这证明了将质心Voronoi结构的质心点作为无网格法区域离散节点进行无网格法分析是比较精确、可靠的.     

基于Voronoi模型的多晶金属切削有限元分析

基于Voronoi建模原理开发了满足金属材料晶体学拓扑规律的多晶建模算法.在晶体尺寸满足对数正态分布时,采用多边形内角阈值来控制晶体饱满度.结合ABAQUS二次开发技术实现了钛合金多晶切削过程的参数化建模及有限元分析,并通过对比车削试验数据和仿真数据验证了模型的可靠性.仿真结果表明:在材料内部晶界的阻力作用下,较小的晶...     

基于SLM工艺的变截面四棱锥点阵结构建模与试验研究

球型增强变截面四棱锥点阵结构（Spheriform graded body-centered cubic,S-GBCC）可以有效改善常规四棱锥点阵结构（Body-centered cubic,BCC）节点应力大、梁受力不均等缺陷,是一种力学性能更优的点阵构型,但其力学特性受单胞尺寸、梁的截面特性、节点连接方式等影响。考虑变截面梁和连接球体的几何构型,完成S-GBCC点阵结构的几何拓扑分析;基于铁木辛柯梁理论建立其力学与数学模型,得到点阵尺寸参数与相对密度、等效弹性模量、等效屈服强度之间的函数关系。利用选区激光熔融（Selective laser melting,SLM）工艺制备同一相对密度条件下,不同曲率半径的S-GBCC点阵结构,分析不同规格打印试样的形貌特征,形成考虑SLM工艺成形精度影响的S-GBCC点阵结构等效力学模型。完成该点阵结构静态压缩试验,分析其形变特性和力学性能,结果表明较传统BCC点阵结构有显著提升,理论与试验结果吻合较好。     

轻质点阵结构的参数化建模及力学性能研究

针对点阵材料结构设计困难的问题,建立了由长方体空间衍生的胞元结构数学模型,并构建了胞元结构和试件的参数化模型及力学性能研究系统。对5种典型胞元构成的试件通过改变胞元尺寸大小及数量或支柱截面半径,使其具有相同几何形状、外形尺寸以及质量;采用有限元法分析试件分别受到拉伸/压缩、弯曲、扭转载荷及模态的力学性能。通过研究得到胞元结构试件力学性能的数据,提出在各种载荷下点阵材料的设计方法,并通过实例验证该方法的正确性及可靠性。     

功能梯度材料吸能盒结构设计及优化

传统的吸能盒结构,碰撞过程无法实现稳定有序折叠溃缩,同时存在单位质量吸能效果差的缺点,限制了汽车安全性能的提高。引入一种功能梯度材料(Functionally Graded Material, FGM)结构吸能盒,即在传统316L不锈钢基体上添加铝合金成分形成梯度材料结构,同时仿照竹节虫胫骨截面结构对其横截面形状进行优化,并基于优化拉丁超立方体试验设计和响应面模型对竹节虫胫骨横截面的具体结构进行多目标优化。仿真结果表明,优化后的仿生功能梯度材料吸能盒能够实现稳定的从头部至尾部的折叠溃缩。和传统吸能盒相比,仿生结构功能梯度吸能盒单位质量吸能效果提升,能够有效削弱碰撞对车身的损伤。     

在ANSYS中模拟功能梯度材料的方法研究

介绍一种在ANSYS软件中模拟功能梯度材料的方法。对于功能梯度材料板,考虑到其弹性模量E和泊松比v都是沿长度方向变化的函数。可以将板用三角形单元离散化,求出每个三角形单元的等效模量和泊松比,再用命令流的方法赋予每个单元,则可以实现在ANSYS中对功能梯度材料板的模拟。     

预应力下金字塔型点阵复合材料结构低速冲击动力学响应研究

建立金字塔型点阵复合材料结构预应力下低速冲击的有限元分析模型。研究了预应力对接触载荷、接触时间、结构变形及能量吸收的影响规律。在进行低速冲击分析之前,利用静力分析结果给结构加上预应变。研究结果表明:预应力对冲击载荷峰值、接触时间及结构总能量吸收率的影响不显著,但是对结构的变形具有明显的影响;当冲击速度一定时,上面板中心点的最大位移随预拉应力的增大而增大,而下面板和芯子的最大变形随预拉应力的增大而减小;预压应力对结构变形的影响与预拉应力的情况相反。     

基于贫点阵图像的信息获取方法

本文介绍了一种新的基于贫点阵的图像信息获取方法,给出了贫点阵图像的定义,并介绍了贫点阵探测器的特点及贫点阵所探测到的点目标的特点,最后对贫点阵点目标的识别和跟踪算法进行了研究.     

3D打印点阵相变冷板综合性能研究

3D打印技术为冷板的设计和生产提供了新的可能性。文中基于激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术设计了一种点阵填充内部腔体的相变冷板。为验证点阵相变冷板的储热性能和力学性能,首先通过数值仿真,研究了4种不同尺度、不同形式的点阵结构对储热性能的影响规律,并选出了最佳的点阵结构;然后采用SLM技术成形了试验件;最后通过升温试验,对比了不同热耗下点阵冷板与传统冷板的储热性能差异,通过随机振动试验和冲击试验,研究了点阵冷板的力学性能。结果表明：在不同形式的点阵结构中,4 mm十二边形点阵具有最好的储热性能;相比于传统冷板,点阵冷板可减重13.8%,灌注石蜡增加了12.2%;点阵冷板有更好的储热性能,总热耗为160 W时,升温至105.3℃,点阵冷板可延后6.8%。