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摘 要

作为一种新型的材料，点阵结构材料由于其优越的力学性能和轻量化的材质，被认为是航空航天等领域非常有应用前景的材料之一。虽然很多学者对点阵结构在不同载荷作用下的变形行为进行了一些研究工作，但目前还尚不系统和完善，具体表现在：按照Ashby理论，通过材料之间或材料与空间的混合可以构造混杂材料，而点阵结构材料就是以这种方式构造的新材料。同时，不同的空间混合模式可以构造出不同力学性能的点阵结构材料，对于点阵结构来讲，改变杆件连接方式、杆件直径和晶胞的尺寸等可以得到不同的力学性能。其核心问题则为：如何理解不同点阵结构杆件组合方式与晶胞力学性能之间的关系，如何定量的描述这种关系，如何理解同种材料不同点阵结构失稳情况的差异，如何找到一种最佳组合使晶胞呈现最好的力学性能？但是目前，这一核心问题还没有得到妥善解决。

本课题以简单的有限元建模和理论分析为主，实现对点阵结构在压缩下载荷作用下其强度、塑性和失效行为的预测预报，同时需求最优的结构设计，来实现压缩性能的初步优化设计。

关键词：点阵结构 力学性能 性能预报 优化设计

Prediction and optimal design of mechanical properties of lattice structures under compression load

Abstract

As a new kind of material, lattice structure material is considered to be one of the most promising materials in the field of aerospace because of its superior mechanical properties and lightweight features. Although many scholars have done some research work on the deformation behavior of lattice structures under different loads, it is still not systematic and perfect at present. Specifically, according to Ashby theory, hybrid materials can be constructed by mixing materials with materials or materials with space, and lattice structure materials are new materials constructed in this way. At the same time, different spatial mixing mode can construct different lattice structure materials with different mechanical properties. For lattice structure, different mechanical properties can be obtained by changing the connection mode of members, the diameter of members and the size of crystal cells. The core problem is: how to understand the relationship between the combination of different lattice structure members and the mechanical properties of crystal cell, how to describe the relationship quantitatively, how to understand the difference of different lattice structure instability of the same material, how to find the best combination to make the crystal cell present the best mechanical properties? But at present, this core problem has not been properly solved.

Based on the simple finite element modeling and theoretical analysis, the prediction of the strength, plasticity and failure behavior of lattice structure under compression loading is realized. At the same time, the optimal structural design is required to achieve the preliminary optimal design of compression performance.

Key Words: lattice structure; mechanical;properties; performance prediction; optimization design

目录

点阵结构压缩载荷下的力学性能预报及优化设计 II

Prediction and optimal design of mechanical properties of lattice structures under compression load III

第一章 点阵结构压缩载荷下的力学性能研究背景及意义 3

1.1、研究背景 3

1.2、点阵结构国内外研究现状 4

1.2.1 点阵结构的几何构型 5

1.2.2 点阵结构的制取 5

1.3研究意义 6

第二章 文献综述 8

2.1影响点阵结构力学性能的参数 8

2.1.1 制造工艺和制造参数 8

2.1.2 胞元类型和相对密度 9

2.2 点阵结构的力学性能预测 9

2.2.1 相对密度 9

2.2.2 不同梁理论、实体单元与梁单元 10

2.2.3制造缺陷 10

第三章 点阵结构模型的建立与力学性能数值模拟 12

3.1 建立不同密度的点阵结构模型 12

3.1.1 BCC型点阵结构 12

3.1.2 BCC，Z型点阵结构 14

3.2得到点阵结构的相对密度 15

3.3 确定用于有限元模拟的材料参数 16

3.4将模型导入ABAQUS进行数值计算 17

3.4.1 有限元分析简介 17

3.4.2 ABAQUS有限元分析过程 18

第四章 点阵结构的性能预报 23

4.1 有限元静力分析结果 23

4.1.1 钛合金点阵结构的分析结果 23

4.1.2 不锈钢点阵结构的分析结果 28

4.2应力应变曲线 34

4.3 性能预报 37

第五章 点阵结构的优化设计 40

第六章 结论与展望 47

6.1 结论 47

6.2 展望 47

致谢 48

参考文献 49

第一章 点阵结构压缩载荷下的力学性能研究背景及意义

1.1、研究背景

航空航天领域对材料的轻质和功能要求越来越严格,传统的轻金属材料已经不能满足实际工程结构的承载及多功能的要求。点阵结构由于具有优良的比强度、超大的表面积、出色的减震和冲击保护性能、理想的吸震和減噪作用等优点,已被广泛应用于航空航天领域。

生物医疗领域需要模拟骨骼的仿生材料,点阵结构被认为是这类应用中特别合适的材料,因为它们的机械性能可以通过合理的设计接近于人骨,其内部的孔隙为骨的生长和物质的运输提供空间。钛合金点阵结构的机械性能和生物性能已经被一些研究人员研究,确定其可以作为一种骨骼替代材料。

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