3D打印梯度随机蜂窝夹芯结构耐撞性研究与多目标优化设计

蜂窝材料具有轻质、高比吸能等优良的能量吸收性能,被广泛应用于各类吸能防护结构,本文基于Voronoi图形和3D打印技术,设计并制备了新型梯度随机蜂窝夹芯结构,建立其三点弯曲加载的有限元模型,并进行了试验验证,进而基于数值模型开展了其耐撞性研究以及多目标优化设计,研究结果表明,均匀随机蜂窝夹芯结构中,较低随机度的蜂窝夹芯结构具有更好的能量吸收特性,壁厚增大增加比吸能的同时因其细观变形模式由塑性铰主导而具有较大的承载波动系数,相对密度一致时,胞元尺寸不同的随机蜂窝夹芯结构的比吸能相差不大,胞元尺寸的减小使变形过程更加平稳而降低了承载波动系数;对于胞元尺寸梯度、壁厚梯度随机蜂窝夹芯结构,正梯度的引入增大了加载端强度,使得吸能指标提高;基于非支配排序速传算法(non-dominated sorting genetic algorthm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ),对正梯度随机蜂窝夹芯结构进行多目标优化,得到的优化结果相比于未进行优化设计的均匀随机蜂窝夹芯结构,比吸能提高了33.9%。

3D打印随机蜂窝夹芯圆管结构的准静态轴向压溃性能研究

利用3D打印技术,构建了具有特定细观结构的轻质随机蜂窝柱壳结构,研究了该蜂窝柱壳及其夹芯圆管结构的准静态轴向压溃性能,分析了芯层细观结构参数和内外管的几何参数组合对夹芯圆管结构压溃性能的影响。结果表明,随机蜂窝夹芯圆管结构外管变形模式受到内外管的几何尺寸和蜂窝芯层细观结构参数的影响,芯层与管壁之间的相互作用增强了结构的吸能性能。通过对随机蜂窝芯层细观结构参数和内外管组合的控制,能够影响夹芯结构在压溃过程中芯层与管壁间相互作用的强度,从而改变其宏观力学性能表现。本文利用3D技术构筑细观结构可控的轻质蜂窝芯层结构旨在为轻质高性能的耗能元件设计提供思路。