基于三维位姿变换的点阵结构设计及其力学性能研究

作     者：任文鑫 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柏龙

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：点阵结构 拓扑改造 欧拉空间变换 选择性激光融化技术 

摘      要：点阵结构以其轻质高强、能量吸收等的特性,在工程领域获得了广泛应用。但不同点阵结构之间也有着较大性能差异,为匹配各种不同的工况,有必要进一步对现有点阵结构进行改造与性能优化。相对密度和拓扑结构是影响点阵结构性能的主要因素。研发新的点阵构型、构建点阵结构相对密度模型对当前工程领域有着重要意义。为此,本文以轻质金属点阵结构为研究对象,以获得不同工况下最适配的点阵结构设计为目的,提出了一种通过控制点阵单胞姿态变化以进行主动性能调控的通用性结构改造方法,开展轻质金属点阵材料的结构调整参数与力学特性之间映射关系的理论研究,为点阵结构的性能优化设计及其工程应用提供理论和技术参考。主要研究有:1)以杆状点阵结构单胞中节点位置矩阵和单杆姿态矩阵为特征,建立杆状点阵通用拓朴结构模型。点阵结构首先通过空间三个欧拉角的旋转变化,进而通过镜像矩阵阵列来创建新型的点阵结构,基于此结合其拓扑模型推导了杆状点阵结构拓扑模型与空间欧拉角的关系,并建立了空间单杆的力学模型。2)针对不规则杆件体积难以近似规则体化拆解的问题,提出一种基于布尔运算的切割法和坐标定位法相结合的方式用于建立变姿态结构的相对密度模型,并推导了欧拉角与相对密度的映射关系。该计算模型最大误差仅1.87%。应用该模型,计算了结构的比性能,进一步验证了变姿态策略对结构力学效能的增益。3)确定各类变姿态结构参数并进行制备与准静态单轴压缩试验、准静态压缩/动态冲击的有限元仿真分析。根据电子显微镜观察结果和测量结果进行制备样件表面质量分析;对比欧拉角参数的结构的破坏模式、弹性模量、抗压强度及吸能特性的分布规律,最终建立旋转欧拉角、单胞构型、结构力学性能之间的关系。结果分析表明,通过控制单胞的位姿可以有效调节点阵结构的相对密度和机械性能,实现点阵结构改造、性能优化的设计。经过改造的变姿态结构的最大弹性模量、抗压强度及50%应变处吸能分别可以达到原始结构的553.1%、471.9%、529%。此类结构设计方式,可以通过调整各类正交点阵结构的欧拉角得到新的点阵结构,并可较好的预估其相对密度及其性能,能为设计满足于不同力学性能需求的点阵结构提供实验和理论依据。