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基于复杂点阵结构的节点强化技术研究

内容来源:机械设计与制造工程杂志      浏览次数:340      更新时间:2019-01-07

                                                     雷鹏福,戴〓宁,汪志鹏
                                        (南京航空航天大学机电学院,江苏 南京〓210016)
摘要:在现有点阵结构整体建模技术的基础上,提出一种点阵结构节点强化技术,能在点阵结构节点处实现自然圆角过渡,改善其力学性能。通过控制点阵拓扑构型预处理的参数可以均匀改变过渡圆角的尺寸。对6个变节点过渡圆角尺寸点阵模型进行有限元分析,实验结果表明,所提出的点阵结构节点强化技术能有效调控点阵结构的力学特性,提高材料的利用率。
关键词:点阵结构;圆角过渡;整体建模;3D打印
中图分类号:TB383〓文献标识码:A〓文章编号:2095-509X(2018)12-0001-04

   点阵结构是一种由微结构周期性排列构成的多孔构型结构,其由于具有较好的冲击吸收性能和较高的比强度、比刚度,被广泛应用于航空航天、汽车工业、医疗等领域。随着3D打印技术的快速发展,具有更大设计自由度的零部件可以被制造出来,进一步促进了点阵结构设计、优化等相关研究的发展。张钱城等根据各类轻质点阵材料的胞元结构分析点阵结构的力学性能,并分析了强化轻质点阵结构力学性能的主要方法;邹婉秋等为能更好地将点阵结构应用于工程实际中,开展了对点阵结构力学性能的相关研究,分析了点阵结构疏密程度对其承载能力和固有频率的影响;赵芳垒等提出一种基于拓扑优化局部相对密度映射的变密度点阵结构设计方法,在模型拓扑优化的密度信息与点阵微单元之间建立起映射关系,并根据映射的相对密度生成了变密度多孔结构。上述工作研究了微单元类型、分布疏密、单元尺寸对点阵结构力学性能的影响。关于点阵结构节点处过渡方式对其性能影响的相关研究较少见到。本文提出一种点阵结构节点强化技术,能让点阵结构节点处产生自然圆角过渡,减少应力集中,提升结构的力学性能。

1〓点阵结构建模
随着增材制造技术的发展,点阵结构的应用变得越加广泛。不同应用场合对点阵结构的性能有不同要求,而点阵结构的性能受点阵微单元的类型、尺寸、分布等因素的影响,这对点阵模型参数化可控提出了需求。现有点阵结构建模技术可以分为阵列建模和整体建模两大类。
阵列建模即先建立一个点阵微单元,然后对其进行阵列生成点阵结构。代表工作有仲梁维等建立的点阵结构参数化建模系统,将5种点阵微单元存入胞元库中,便于在建模过程中直接调用,其控制参数为胞元的类型、尺寸以及微单元截面半径。这种建模方法需要考虑微单元之间的连接关系,不易控制点阵结构的分布间隔,无法对点阵模型的局部进行控制。
整体建模是指不再建立点阵微单元,将点阵结构一次性生成的建模技术。代表工作有肖冬明通过隐式函数驱动在体素级上使用marchingcubes算法抽取点阵多孔模型,通过调控所用驱动函数的系列参数对点阵结构进行参数化控制。相对于点阵结构全局,这种建模技术能进行局部控制,但需要消耗更大的内存空间。
本文所用建模技术是对现有整体建模技术进行改进实现的,能在点阵结构的节点处得到自然圆角过渡。首先通过函数驱动生成点阵结构拓扑构型L,如图1(a)所示。

.......

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51775273);国防装备预研基金资助项目(61409230305,6141B07090119);江苏省重点研发计划项目(BE2018010-2)
作者简介:雷鹏福(1994—),男,福建龙岩人,南京航空航天大学硕士研究生,主要研究方向为数字化设计与制造。


文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289)

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