一种用于碰撞吸能的正棱锥单元复合阵列结构优化方法与流程

本发明涉及了碰撞吸能领域的结构优化方法，具体是涉及了一种用于碰撞吸能的正棱锥单元复合阵列结构优化方法。
背景技术：
：物联网和全球贸易的飞速发展，使得物件之间的传递变得更加频繁。保障物件之间的安全远距离传输显得尤为重要。夹芯结构，通常由两个薄面和之间的夹芯组成，广泛应用于能量吸收场合。传统的蜂窝泡沫等夹芯结构已有大量文献记载。然而，蜂窝夹芯结构受到不必要的水分积聚问题的影响，导致机械性能恶化。近年来，出现了许多的核结构形式，如桁架核面板和折叠核。其中随着新的制造方法的出现，折叠核更具有应用前景。折纸作为一种古老的艺术，几十年来一直启发着工程设备和结构的设计。刚性折纸是折纸的一个分支学科，它把折痕看作铰链，把折痕之间的材料看作刚性材料，限制折痕在折叠过程中弯曲或变形。折纸所获体胞结构，能够通过其顶部的变形吸收冲击和压缩能量。由于非周期排列的体胞结构复杂，大多数研究集中在周期排列上。技术实现要素：为了解决
背景技术：
中存在的问题，本发明提出了一种用于碰撞吸能的正棱锥单元复合阵列结构优化方法。本发明建立正棱锥夹芯结构的设计方法，进行了联合仿真优化，此方法结合了有限元软件强大的后处理能力和编程软件编写复杂算法的能力，优化所设计的正棱锥夹芯结构。本发明采用以下技术方案：所述的复合阵列结构包括夹芯结构和上面板，上面板位于夹芯结构的顶面，包含以下步骤。步骤1)根据所要实现振动防护物体的尺寸和实际安装要求，确定所需设计夹芯结构的材料，高度h，长度len和宽度wid；步骤2)夹芯结构是夹芯体胞单元紧密阵列排布连接构成，形成体胞阵列；构建相似比w，并建立由相似比w、边数n和厚度t控制的夹芯结构形状尺寸公式，边数为夹芯体胞单元底面的边长数量；且夹芯体胞单元为正棱锥体，夹芯体胞单元内部中空，所有夹芯体胞单元的正棱锥体底面平行布置在同一平面上，并作为复合阵列结构的底面；步骤3)根据预先设定的边数、厚度和承受正向载荷f，以正向载荷f作用下，以复合阵列结构受正向载荷f变形之后最大应力最小为目标函数，以相似比w为个体，采用遗传算法求出最优相似比，再根据最优相似比确定最优的夹芯结构，即确定最优的夹芯结构的形状和尺寸。所述步骤2)中，夹芯结构形状尺寸公式具体为：式中，s为夹芯体胞单元的棱长，l为夹芯体胞单元的底面边长，β为夹芯体胞单元正棱锥体顶角的角度，n为夹芯体胞单元正棱锥体的棱数，h为夹芯体胞单元的高度，w为相似比。当给定h时，体胞结构由w，n和t控制，s，l，β均可由上式求出。所述步骤3)中，用遗传算法求解，具体为：随机生成数个相似比w，以相似比w为个体，由多个个体组成种群，以复合阵列结构受正向载荷f变形之后最大应力最小为目标函数进行迭代求解处理；在迭代求解处理过程中，计算目标函数的最大应力时，采用ansys软件工具中apdl命令流进行求解，apdl命令流中设置复合阵列结构的材料、载荷、形状和尺寸参数，包括边数n、厚度t、正向载荷f、夹芯体胞单元底面边长l、夹芯体胞单元的高度h，其中夹芯体胞单元棱长s、夹芯体胞单元正棱锥体顶角的角度β是由相似比w计算转换获得。所述的正向载荷f为垂直于上面板的挤压载荷。具体实施中，遗传算法处理如下：4.1)设置遗传算法求解的参数。如个体数目，遗传代数，代沟，交叉概率，变异概率。确定所要优化变量w及其求解范围。4.2)初始化种群。4.3)当计算目标函数的最大应力时，采用ansys软件工具中apdl命令流进行求解，apdl命令流中设置复合阵列结构的材料、载荷、形状和尺寸参数，包括边数n、厚度t、正向载荷f、夹芯体胞单元底面边长l、夹芯体胞单元的高度h，其中夹芯体胞单元棱长s、夹芯体胞单元正棱锥体顶角的角度β是由相似比w计算转换获得。4.4)利用应力值来计算个体的适应度值和评价种群，如果满足迭代终止原理，迭代将停止。否则，进程将切换到下一步。4.5)进行遗传算法的选择，交叉，进化操作，得到新种群，返回4.3)最终得到最优相似比，通过步骤2中的公式计算得到夹芯结构的其他尺寸。本发明设计了相似比w为优化变量，通过有限元软件进行力学分析结构求取，并利用启发式算法进行优化获得准确有效的夹芯结构及其复合阵列结构。具体实施中可采用上述方法制备正棱锥单元复合阵列结构，将正棱锥单元复合阵列结构布置于仪器包装盒的每个角上，每个角的三个正交平面表面均贴附布置一个正棱锥单元复合阵列结构。本发明设计结构通过体胞周期性阵列形成夹芯结构，当结构受到正向冲击之后体胞顶部变形，实现碰撞能量的吸收。本发明的有益效果为：1、本发明通过优化正棱锥结构，使得在受到载荷时，自身的破坏最小，同时由于所设计结构为薄壁结构，夹芯的变形会起到很好的阻尼作用，降低载荷对所要保护物体的伤害。2、本发明提出的方法可以应用于快递行业，特别是在大型精密仪器的配送中。在仪器的长途运输过程中，由于车辆的不稳定，如飞机的颠簸、汽车颠簸的路面、货船的波浪等，仪器会发生晃动。通过在仪器包装盒的八个角部加入该结构，可以有效地减小冲击力，减少对精密仪器的损伤。除了快递业，拟议的结构也可用于体育产业。因为棒球运动员的衣服需要高强度和低重量，我们提到的结构也可以在这里使用。附图说明为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。图1为本发明方法所发明的复合阵列结构示意图。图2为夹芯结构示意图。图3为夹芯体胞单元结构示意图。图4载荷施加示意图。图5为所提及夹芯结构优化方法流程图。图6为实施例优化方法之优化结果对比示意图。图7为实施例优化后的结构在冲击中的变形图。图8为实施例测试获得的冲击力曲线图。图中：上面板1、夹芯结构2。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭晓的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰和改变。本发明的实施例具体步骤如下：步骤1、复合阵列结构包括夹芯结构2和上面板1，上面板位于夹芯结构2的顶面，如图1所示。根据所要实现振动防护物体的尺寸和实际安装要求，确定所需设计夹芯结构的材料为pla塑料、高度h＝10mm，长度len＝60mm和宽度wid＝60mm。如图2所示，夹芯结构2是夹芯体胞单元紧密阵列排布连接构成，形成体胞阵列；构建相似比w，并建立由相似比w、边数n和厚度t控制的夹芯结构2形状尺寸公式，边数为夹芯体胞单元底面的边长数量。如图3所示，每个夹芯体胞单元为正棱锥体，形状和尺寸相同，夹芯体胞单元内部中空，所有夹芯体胞单元的正棱锥体底面平行布置在同一平面上，并作为复合阵列结构的底面。步骤2、设置选择边数n＝4和厚度t＝1mm，设置夹芯结构承受正向载荷f＝4mm；载荷加载方式如图4所示，载荷施加在全部节点上，夹芯结构底部固定支撑。步骤3、以正向载荷f作用下，以复合阵列结构受正向载荷f变形之后最大应力最小为目标函数，以相似比w为个体，采用遗传算法求出最优相似比，再根据最优相似比确定最优的夹芯结构2，即确定最优的夹芯结构2的形状和尺寸。用遗传算法求解。图5所示，为本实施例的结构优化方法示意图。4.1)设置遗传算法求解的参数。个体数目30，遗传代数200，代沟0.9，交叉概率0.5，变异概率0.001。确定所要优化变量为相似比w及其求解范围[1/2,5/6]。4.2)初始化种群。4.3)当需要计算目标函数即应力值时，调用ansys中apdl命令流。4.4)将所求的最大等效应力值m除-109进行归一化作为个体的适应度值来评价种群，迭代200代后停止。否则，进程将切换到下一步。4.5)进行遗传算法的选择，交叉，进化操作，得到新种群，返回4.3)最终得到最优相似比w＝0.8104，通过步骤2中的公式计算得到夹芯结构的其他尺寸。得到最优结构如表1所示，其余其他相似比下最大等效应力的比较如图6所示。可以看出，最优相似比对应最大等效应力最小。点d对应结构为此实例最优结构。表1最优结构(点d)参数值w0.8104β72.94°l21.95mms19.56mmσ920mpa将实施例获得的夹芯结构添加上上面板后形成正棱锥单元复合阵列结构，再将正棱锥单元复合阵列结构布置于仪器包装盒的每个角上，每个角的三个正交平面表面均贴附布置一个正棱锥单元复合阵列结构。用4kg直径100mm的铁饼平面向下，水平从20cm高度自由落下砸到所选结构中心模拟冲击案例。图7为优化后的夹芯结构在冲击中的变形图，可以看到，由于顶部发生变形，此结构吸收了大部分冲击能量，在此冲击下可以保护仪器。图8为冲击力曲线。可以看出冲击力并非恒定，具有波动效应。由此实施可见，本发明获得的夹芯结构具有比刚度高，抗撞性能强的优点；当结构受到正向冲击之后体胞顶部变形，实现碰撞能量的吸收，可有效应用于大型仪器长途运输过程，实现颠簸安全保护。上述具体实施例仅例式性说明本发明的原理与其功效，并非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。当前第1页12