基于机器学习的梯度点阵材料优化设计

点阵材料具有轻质、抗冲击、高能量吸收等特性,因而在航天飞行器承载部件设计等领域有广阔应用前景.通过对点阵材料内部杆径进行合理的梯度设计,可以提高点阵材料在高速冲击载荷作用下的动态力学性能.利用仿真模拟数据,基于随机森林模型实现了梯度点阵材料的动态力学响应预测和结构参数优化.以面心立方(face center cubic,FCC)结构梯度点阵材料为研究对象,通过对杆径参数的调整实现点阵材料密度的梯度化设计.通过LS-DYNA软件计算了密度分布不同的梯度点阵材料受到冲击载荷作用时的动态力学响应,包括冲击端面与支撑端面接触应力随时间的变化曲线.基于随机森林模型,以各层胞元的相对密度为输入,实现对点阵材料端面峰值应力的预测,并基于Gini指数分析出对不同端面处峰值应力影响最大的胞元层.将网格搜索算法与训练好的随机森林对接,分别以两个端面上的峰值应力最高作为优化目标,获得点阵材料各层胞元相对密度的最优值.模型对梯度点阵材料端面峰值应力的预测误差在5%以内.数值模拟验证结果表明,优化后所得梯度点阵材料相应端面上的峰值应力高于仿真数据集内任何结构.

射频离子推力器壳体结构点阵材料拓扑优化

针对射频离子推力器的壳体结构轻量化要求,研究了点阵材料拓扑优化设计思路和方法。首先,通过静力学仿真和动力学仿真对原结构进行了分析,获得了结构改进基础;其次,应用结构拓扑优化方法获得了结构的传力路径;再次,结合传力路径和壳体结构的安装使用要求,获得了最佳的点阵材料优化设计域;最后,通过点阵材料优化设计,获得了最佳的点阵拓扑优化结构方案。与原结构进行对比,优化方案质量减小31.5;动力学方面,结构模态整体提升,较好避开了推力器工作时的振动频率范围;受载条件下结构最大应力降低达59~67,应力分布更加均匀,结构变形也相应减小,结构刚度有所提升。优化后结构的轻量化和性能改善验证了设计方法的有效性。

点阵材料在准静态和动态压缩下的力学行为研究

点阵材料是一种多功能轻质材料,在能量吸收领域具有良好的应用前景。通过激光选区熔化技术设计并制备四种不同单胞构型的316L不锈钢点阵材料,具体为体心立方、面心立方、体心立方垂直棱柱、面心立方垂直棱柱。通过材料试验机和高速拉伸机开展在10-3 s-1和100 s-1应变率下的压缩试验,研究点阵材料在准静态和动态载荷下的力学性能。结果表明,单胞类型对点阵材料的能量吸收有显著影响。在点阵材料的单胞结构中增加Z方向垂直棱柱,可以极大增大应力平台应力。随着载荷速率的提高,点阵材料的能量吸收能力提高,由此表明点阵材料存在明显的应变率效应。

五模点阵材料静态力学性能研究

为研究五模点阵材料的力学性能,通过增材制造技术,制作了四个五模点阵材料模型,并进行了静态力学试验。通过静态力学试验,获取了五模点阵材料模型的弹性模量和剪切模量,并通过仿真验证了静态力学试验结果的准确性。静态力学试验和仿真结果验证了胞元等效力学参数计算公式的准确性。分析了试验中个别模型误差较大的原因,并给出了解决措施。相关结论对五模点阵材料静态力学试验有一定指导意义。

金属点阵材料的研究进展

金属点阵材料是一种具有高孔隙率以及周期性结构的先进轻质多功能材料。重点评述了金属点阵材料的分类、金属三维点阵材料的主要制备方法以及点阵结构制备过程中的连接技术,并归纳了目前对其力学性能表征的一些成果,最后从结构与功能两方面介绍了金属点阵材料特有的优良性能以及应用,并展望了其未来的研究趋势。

轻质高强点阵材料及其力学性能研究进展

点阵材料是一种新型轻质高强材料,同时具备形状控制、致动、能量吸收和传热等多种功能．文章综述了点阵材料的拉伸主导型设计原则、点阵构型和制备工艺．拉伸主导型点阵材料的比强度和比刚度明显强于一般胞元材料,在低密度时质量效率更加突出．根据材料的基本构型特征主要介绍了三维八角点阵以及夹层点阵材料,比较分析了熔模铸造法和冲压折叠成型工艺的特点．总结了研究点阵材料力学性能的理论方法和试验研究成果,研究表明缺陷对点阵材料力学性能的影响明显小于一般胞元材料．对点阵材料在形状控制与致动、传热和数值计算方面的应用研究成果进行了介绍．文中归纳了作者近期在炭纤维点阵复合材料方面的工作,给出了制备炭纤维隐身点阵格栅的探索性工作．主要包括炭纤维点阵复合材料的三维编织工艺和二维点阵格栅的嵌锁工艺以及隐身点阵格栅反射率试验测试结果．

点阵材料微极连续介质模型的应力优化设计

在将二维周期性点阵类材料等效为具有非局部化本构的微极连续介质的基础上,运用优化技术,探讨了基于材料相对密度和微单胞特征尺度两类变量的优化结构应力的方法,给出了针对最小化结构关键部位应力、结构最大应力最小化、最大化结构关键部位安全储备三类特定目标的结构与材料一体化协同优化结果．利用圆板小孔应力集中的数值算例验证了方法的有效性．

冲击载荷下受轴向约束的点阵材料夹芯简支梁

对受到均布冲击载荷的轴向不可移点阵材料夹芯简支梁进行了刚塑性动力响应理论分析和弹塑性有限元分析.首先给出了夹芯梁在外包和内接屈服条件下中点最大挠度的理论预测值,并与有限元结果进行了比较,有限元计算结果介于两种屈服条件给出的理论预测结果之间,有限元计算的支座处最大转角与外包屈服条件给出的理论预测结果接近.然后考察了点阵材料夹芯梁的抗冲击性能和吸能效果.结果表明:夹芯梁的最大挠度和塑性耗散能对杆元与面板夹角及相对密度十分敏感,设计合理的夹芯梁具有很好的吸能效果和抗冲击性能.

金字塔型点阵材料夹芯板抗爆性能仿真与优化

金属点阵材料夹芯板因其轻质、高比强度、高比刚度以及多功能和良好的可设计性等优势在工程防护领域应用潜力巨大。基于动力显式有限元法,仿真研究了金字塔型金属点阵材料夹芯板在爆炸载荷下的动态响应,并进行了针对其抗爆性能的多目标优化;建立了包含实体单元芯体的夹芯板详细有限元模型,并提出了采用梁单元芯体的简化模型;通过与文献实验结果对比验证了模型的有效性和准确性;在此基础上,以面比吸能和背板最大变形量为评价指标,采用单一变量法分析了芯体关键几何参数对夹芯板抗爆性能的影响;以关键几何参数为变量,利用响应面模型和遗传算法对夹芯板进行了抗爆性能多目标优化;并考虑爆炸当量不确定性,完成了夹芯板抗爆性能可靠性优化。结果表明,梁单元芯体简化模型可大幅度提高仿真计算效率,为夹芯板抗爆性能优化提供便利;芯体关键几何参数对金字塔型点阵夹芯板抗爆性能影响很大;多目标优化和可靠性优化能够提高金字塔型点阵夹芯板的综合抗爆性能和可靠性。

多孔金属格子材料(点阵材料)的制造方法

介绍了多孔金属格子材料的主要形态及其制造方法,其中结构形态主要有四面体孔穴单元结构、锥体孔穴单元结构、3D-Kagome结构、菱体结构、八面体孔穴结构等形式。制造工艺主要有熔模铸造法、变形成型法、金属丝编织法、金属丝搭接组装法和聚合物格子前体电沉积法等方式。并指出了该类材料的主要优点和不足,对以后多孔金属研究的努力方向提出了一点建议。

关于“多胞材料”和“点阵材料”的一点意见

近年来,新型的结构材料和功能材料层出不穷,有关的新名词术语也极待厘定. Cellular material指的是内含大量空穴而又具有一定的胞结构(cell structure)的材料,如木材、骨骼、珊瑚等自然材料,以及蜂窝材料(honeycomb)、泡沫材料(foam)等人造材料.

基于三维点阵材料的免充气轮胎设计

根据当前国内外典型免充气轮胎的结构性能和优缺点,结合三维点阵材料设计了一款新型免充气轮胎,为解决目前免充气轮胎在汽车上实用性低提供一种全新思路,为新能源汽车发展及未来智能汽车发展在汽车零部件选用上提供更多的可能。

基于空间编织法制备的连续纤维复合点阵材料及其压缩性能研究

针对目前新材料领域现有连续纤维复合点阵材料制备技术的不足,提出了一种全新的纤维复合点阵材料制备方法。在深入分析现有纤维复合点阵材料制备技术和Octet-truss单元的结构特征的基础上,开发了一种利用连续纤维绳通过编织制备三维纤维复合点阵材料的新方法——空间编织法,并设计了一套专用成型工装,然后利用该方法和树脂固化工艺制备了连续纤维Octet-truss点阵复合材料,最后根据ASTM C365测试方法对试件进行单轴压缩实验。实验结果表明,Octet-truss结构稳定性较好,应力应变曲线变化规律基本一致,结合实验过程与电镜图片分析可知,试件主要失效模式为纤维微曲屈引起的节点附近斜杆断裂,为今后连续纤维复合三维点阵材料的制备和力学性能研究奠定了基础。

点阵材料及其3D打印

点阵材料是由一种或多种结构单元,按照特定方式(如周期、拓扑、分形等)优化组合构筑而成的具有特殊物理性能的一类新材料,在光、电、力、热、声、磁、生物化学等领域均具有巨大的应用潜力。3D打印技术极大地推动了点阵材料的发展,提高了点阵材料的可设计性,使制备具有形状复杂、尺度细小的点阵材料成为现实。本文综述了点阵材料的研究进展:阐述了点阵材料结构单元的类型及特征;归纳了点阵材料的制备方法;总结了点阵材料的性能及应用;最后探讨了点阵材料的发展方向。

双锥构型三维点阵材料压缩特性

对空心杆双锥构型点阵材料的压缩性能进行研究,对比了点阵材料与均质材料的压缩性能.点阵材料及均质材料的试件都采用多喷头光固化树脂增材制造技术制备,通过试验测试了均质材料件及2种元胞尺寸点阵材料件的压缩性能,获得了不同应变率载荷下的压缩应力-应变曲线,探索了元胞尺寸、加载应变率对材料压缩性能的影响,得到了材料破坏前的应力-应变关系预测表达式,应力预测结果与试验结果相吻合.研究结果表明:点阵材料的元胞尺寸对材料压缩性能影响显著;不同应变率下点阵材料的屈服应变变化不大,屈服强度差异相对较大;制备的点阵材料屈服应变大于均质材料屈服应变,但屈服强度不具备优势.

点阵材料夹芯悬臂梁在端部承受撞击的动力响应分析

利用非线性有限元软件ABAQUS分析了点阵材料夹芯悬臂梁在端部受刚性质量块撞击时的弹塑性动力响应,考察了刚性块质量和冲击速度变化时对梁端部最大位移的影响。对给定的刚性块质量和速度,考察了芯层的拓扑构型变化时对最大位移的影响,并对刚塑性理论解与有限元计算进行了比较,结果表明:当动载赋予结构的总输出能量与结构的最大弹性能容量之比较大时,两者给出的悬臂梁端部达到最大位移的时间及位移峰值比较接近。

激光选区熔化菱形正十二面体点阵材料的承载与失效特性

为了探索液体火箭发动机轻量化方法,充分发挥增材制造技术优势,基于激光选区熔化成形技术制备了不同微桁架直径的周期性菱形十二面体多孔点阵材料,借助扫描电镜观察并测量了其微桁架结构,对相对致密度、压缩特性进行了表征,建立了相对致密度的预测模型,得到了相对弹性模量、相对抗压强度与相对致密度的函数关系,结合应力-应变曲线、压缩过程影像和断口金相,分析了点阵材料压缩过程中的失效行为和机理。研究成果应用于某型动力装置总装支板、某型发动机新型换热器的轻量化设计,经受了拉伸和压缩载荷下的液/气压试验。

β热处理对SEBM Ti-6Al-4V Diamond点阵材料显微组织和力学性能的影响

采用电子束选区熔化(SEBM)技术制备Ti-6Al-4V Diamond点阵材料,研究β热处理(1100℃/2 h/FC)对其显微组织与力学性能的影响。结果表明,经β热处理后,Ti-6Al-4V Diamond点阵材料的显微组织由原始β柱状晶转变为等轴晶,针状马氏体α′相以及α+β细片层组织转变为相互平行的α+β粗片层组织,且α片层平均厚度由0.8μm增加至7.4μm。此外,Ti-6Al-4V Diamond压缩应变增加,最大可达13.1%,但强度降低;热处理对点阵材料的模量影响较小。点阵材料的结构与材料具有独立性,热处理不会改变Ti-6Al-4V Diamond点阵材料强度、模量与相对密度的指数关系。

金属点阵材料剪切实验技术研究

从已有胶黏剂、夹芯材料的剪切试验标准出发,制备金属点阵夹芯材料试样,开展金属点阵材料多种剪切实验方法的探索,同时采用有限元方法模拟各种剪切实验方案中材料的应力分布与变形特征。通过与理想剪切状态的分析对比,提出了一种适合金属点阵材料剪切实验的方法。该实验方案可将剪切力均匀作用在材料内部待剪切面内,消除附加弯矩影响,实现预先设计的剪切过程,获得准确可靠的金属点阵材料剪切性能数据。

金属点阵材料结构参数的CT检测

针对金属点阵材料的结构参数开展了检测方法研究。高能束激光选区熔化点阵结构的连接杆经工业CT(电子计算机断层扫描)检测后得到的影像呈椭圆状,针对这一影像特征,依据椭圆上任意两点之间的最大几何距离为长轴这一概念,实现了单个椭圆位置参数、形状参数的自动识别,以及金属点阵结构几何参数的自动化检测。检测结果基本符合设计值,为其他零件结构缺陷的数字射线成像及工业CT检测影像的自动识别提供了参考。