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增材制造高承载异构三维点阵融合设计及性能分析

增材制造高承载异构三维点阵融合设计及性能分析

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作者：任方喜南京理工大学

学位级别：硕士

航空、航天等领域高端装备的跨代发展,要求结构占比从25%降至10%,功能密度从30%提升到60%,轻量化设计一直是其追求的永恒主题。传统的轻量化设计技术已近极限,亟需在极限基础上创新轻量化方法,三维点阵轻量化结构与增材制造技术的深度... 详细信息

航空、航天等领域高端装备的跨代发展,要求结构占比从25%降至10%,功能密度从30%提升到60%,轻量化设计一直是其追求的永恒主题。传统的轻量化设计技术已近极限,亟需在极限基础上创新轻量化方法,三维点阵轻量化结构与增材制造技术的深度融合成为解决这一需求的全新途径。然而,如何根据高端装备的服役工况要求实现基于三维点阵的结构功能一体化设计,成为该领域亟待解决的焦点问题。论文针对复杂构件的极限轻量化设计制造需求,以增材制造工艺为支撑,以点阵结构的力学性能优化为目标,研究了超轻质、高承载异构三维点阵融合优化设计方法。结合几何建模、数值模拟、结构优化、性能测试等途径,实现了高承载异构点阵的几何高阶连续融合设计,为异构三维点阵结构在重大工程装备的深入应用提供理论基础和技术参考。主要成果包括:(1)研究了高承载异构三维点阵融合造型设计方法,提出了基于子结构参数调控的异构三维点阵过渡界面优化设计策略,实现了任意复杂融合边界的几何高阶连续优化,改善了不同点阵构型之间的连通性。实验结果表明,相较于传统异构点阵设计方法,所述方法的结构强度提升52.2%。(2)分析了有限空间内点阵结构的尺度效应。在制造工艺约束下,随着尺度因子的增加,点阵结构机械性能先增加后不变再降低;当尺度因子为6-10时,P型点阵结构具有较高的弹性模量和强度,表现出最优的机械性能。(3)研究了不同点阵构型、不同点阵单元占比对异构点阵变形行为和承载能力的影响规律,建立了异构点阵几何参数-杨氏模量的近似预测模型,实现了异构点阵结构过渡区域融合效果的评价。数值仿真结果表明,异构点阵结构的强度与模量均在构成该异构点阵的两种均质点阵子结构的强度与模量之间。(4)提出了功能梯度异构点阵融合优化设计方法。通过引入点阵结构弹性缩放定律作为拓扑优化的材料插值模型,以此获得特定点阵结构的最佳密度分布;结合不同位向角点阵结构的性能差异,建立应力与点阵类型的关联映射机制,依据主应力方向对结构进行功能分区,获得设计域的最佳构型分布,最终形成具有高承载特性的异构点阵融合结构。结果表明:异构点阵融合结构具有较强的刚度,相较于单一构型的梯度P型、IWP型点阵结构,刚度分别提升14.8%、20.1%。(5)以L型梁、三点抗弯梁、无人机悬臂结构为例,开展了功能梯度异构融合点阵的承载特性分析。实验结果表明,与传统密度梯度点阵设计方法相比,异构点阵结构抗弯刚度提升31.0%,弯曲强度提升21.3%。

关键词：异构三维点阵几何连续性功能梯度优化设计

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