(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211046640.7 (22)申请日 2022.08.30 (71)申请人 湖南大学 地址 410082 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路2号湖南大 学 (72)发明人 徐世伟　肖培杰　肖志　袁秋奇　 蒋彬辉　陈龙宝　李可维　 (74)专利代理 机构 北京清控智云知识产权代理 事务所 (特殊普通合伙) 11919 专利代理师 林淡如 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/04(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种极轻高强 耐损伤点阵结构设计方法 (57)摘要 本发明涉及结构轻量化设计领域， 具体涉及 一种极轻高强耐损伤点阵结构设计方法， 包括点 阵结构分类划分、 仿真分析与点阵结构厚度优 选， 根据点阵结构的各个杆件的方向向量是否平 行、 该方向向量与载荷向量之间的夹角是否相等 或者互补 进行划分， 基于不同的基杆和增强杆的 杆厚， 对所获得的杆件类型制定相应的系 列设计 方案， 再对所述设计方案进行网格化CAE分析得 到应力应变曲线， 以获取不同杆件类型下的设计 方案下的屈服强度进而计算相对屈服强度的提 升极限因子， 利用相对屈服强度的提升极限因子 获得最佳的点阵结构厚度优选方案， 最终获得点 阵结构的厚度和长度分布。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115470582 A 2022.12.13 CN 115470582 A 1.一种极轻高强耐损伤点阵结构设计方法， 包括点阵结构分类划分、 仿真分析与点阵 结构厚度优选， 其特 征在于： Step1： 点 阵结构分类划分； 根据点 阵结构的各个杆件的方向向量是否平行进行划分， 通过提取 所有杆件的方向 向量 从中选择任意 二根杆件 若am1/an1＝am2/an2＝am3/an3不成立， 则该两根杆件属于不同类型 杆件； 若am1/an1＝am2/an2＝am3/an3成立， 在此基础上， 再计算杆件的方向向量 ) 与载荷向量 之间的夹角 θi， 若任意两根 杆件的的夹角 θi相等或者互补， 则将 该两根杆件划为同类型杆件， 否则该两根杆件仍然属于不同类型杆件； 对属于同类型杆件， 且其厚度取值 参数一致； 基于所获得的杆件类型Si制定相应的系列设计方案Dijl； 设杆件类型Si为增强杆， 其余杆件类型Sk(1≤k≤m,k≠i)为基杆， 其中1≤i≤m， m为杆 件类型数目， 所述增强杆的杆厚dl的取值范围为 其中l为增强杆的杆厚取 值数目， dj为基杆的杆厚， 其中j为基杆的取值数目， x为所有杆件的最小长度； 不同的基杆 的杆厚dj的取值大小和增强杆的杆厚取值数目l决定了杆件类型Si为增强杆时的设计方案 数目； 对于不同的基杆的杆厚dj和增强杆的杆厚dl， 遍历i的取值， 将形成若干个杆件类型为 Si的设计方案Dijl； Step2： 仿真分析； 对所述设计方案Dijl进行网格化CAE分析得到应力应变曲线， 以获取 不同杆件类型Si下的设计方案Dijl下的屈服强度βijl； Step3： 点阵结构厚度优选； 基于杆件类型Si和基杆的杆厚dj， 计算不同的增强杆杆厚dl 的相对屈服强度的提升极限因子 μij： μij＝βijl/βij(l‑1) 若 μij＝1+μ0， 则该μij＝1+μ0值下的杆件类型Si和基杆的杆厚dj为最佳的点阵结构厚度 优选方案， 其中 μ0为制造工艺限制和 屈服强度提升比率限制的约束因子 。 2.根据权利要求1所述的点阵结构设计方法， 其特征在于： 将所述基杆和所述增强杆的 尺寸设置为： 所述基杆的厚度d0为其杆长的0.1倍， 所述增 强杆的杆厚d和基杆的杆厚d0满 足： 权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115470582 A 2一种极轻高强耐损伤点阵结构设计方 法 技术领域 [0001]本发明涉及结构轻量化设计领域， 具体涉及一种极轻高强耐损伤点阵结构设计方 法。 背景技术 [0002]点阵结构因其承载 效率高、 抗爆炸和抗冲击性能优越， 在力学、 电磁、 声学、 热学等 领域具备优良的应用前景， 现已被广泛应用于航 天、 航空、 兵器、 核工业、 生物医学和车辆等 国防与工业重大产业。 当前点阵结构主要有两种类型： 1)以杆件单元所排列 组合而成的空 间桁架结构； 2)以曲面特征单元按照特定的映射关系 连接而成的空间面体结构。 它们的尺 寸设计变量为胞元 的长宽高、 杆厚或者壁厚和特征角度等。 由于点阵结构主要承受轴向载 荷， 其增强方式主要是通过将材料分配到局部的离散元件提高结构的强度和承载效率。 现 有从设计层面来提高点阵结构的强度和和承载效率主要有如下三种思路： 1)选择点阵结构 的使用材料， 有钢、 铝和复合材料等； 2)整体均匀增加胞元的厚度以提高点阵结构的强度； 3)梯度/变密度减少胞元的厚度以提高点阵结构的承载效率； 3)改变点阵结构的构型， 有 FCC结构、 BCC结构、 FCC和BCC相结合的变形结构以及具备负泊松比效应的内凹六边形结构、 拉胀结构等。 [0003]此外， 点阵结构的设计方案来源主要有如下两种： 1)基于材料冶金学的原子空间 排布规则 及其变形组合体设计； 2)生物仿生设计。 在其基础上， 大量研究人员通过将几何构 型与其承载机制相匹配， 并在不同尺度下挖掘高性能结构 /装备， 从而满足新一代结构材料 一体化设计刚需。 因此， 点阵结构设计规则已高度聚焦于形状、 尺寸、 层级结构和材料融合 的系统综合设计， 以匹配不同行业的设计意图， 并最大限度的提高其综合 性能。 [0004]目前， 点阵结构的力学性能极限为δ/δs～( ρ /ρs)n或E/Es～(E/Es)n， 其理论极限值n 为1。 设计者通常在 多尺度下采用各类点阵结构构型以降低n值， 但降低幅度有限。 且受3D或 者4D打印水平限制， 考虑到制造难度、 精度、 效率和成本等因素， 工业应用层面上均采用易 制造的简单构型点阵结构， 各项力学性能优越的形状结构复杂的点阵结构仅停留在实验室 小批量试制阶段。 如何实现简易构型点阵结构性能媲美高性能复杂形状结构件， 并进一步 扩宽高性能复杂形状结构件的性能极限， 对解决点阵结构的应用潜能与优异力学性能相矛 盾、 力学性能难以靠近理论极限值， 以及如何高效高质高性能的获取不同应用背景下 的极 致点阵结构体具有重要意 义。 发明内容 [0005]本发明的目的在于， 针对在所存在的不足， 提供一种极轻高强耐损伤点阵结构及 其设计方法。 为了克服现有技 术的不足， 本发明采用如下技 术方案： [0006]一种极轻高强耐损伤点阵结构设计方法， 包括点阵结构分类划 分、 仿真分析与点 阵结构厚度优选， [0007]Step1： 点阵结构分类划分； 根据点阵结构的各个杆件的方向向量是否平行进行划说　明　书 1/4 页 3 CN 115470582 A 3