基于载荷路径定向的点阵结构构造方法

本发明涉及结构轻量化设计方法，尤其涉及一种基于载荷路径定向的点阵结构构造方法。

背景技术：

1、近年来，结构轻量化成为各个领域所追求的目标，轻量化设计需要保证结构具有一定强度同时，最大程度缩减结构质量。点阵结构具有高比强度比刚度、轻质量、能量吸收等优越的性能，在航空航天、建筑、机械装备、生物医疗、等工业领域具有巨大的应用潜力。然而，现阶段对于点阵结构的研究主要存在以下不足。一是目前对于点阵结构的研究多为基于单一方向排列的单胞结构，此点阵结构构造方法极大的限制了点阵单胞结构各向异性的特性；二是对于点阵结构的构造存在杆件之间连接不平滑的缺陷，在结构受破坏力的情况下杆件连接处容易发生断裂，从而导致整体结构的失效。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够提升结构力学性能以及点阵结构建模效率的点阵结构构造方法。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于载荷路径定向的点阵结构构造方法，包括以下步骤：

3、s1，结构有限元单元载荷传递路径分析；

4、s2，各向异性点阵结构梁单元模型构造；

5、s3，点阵结构参数化实体模型建立；

6、s4，点阵结构力学性能分析。

7、进一步的技术方案在于，所述步骤s1，其具体包括如下步骤：

8、s11，确定点阵结构优化几何模型，确定结构载荷位移边界条件，使用abaqus进行有限元分析，获取分析结果odb文件；

9、s12，通过使用python语言对abaqus进行二次开发，提取odb文件中单元质心处的应力数据；

10、s13，基于获取质心处的应力数据构造应力张量矩阵，计算质心处最大主应力的大小，应力张量矩阵如下：

11、

12、式中，σij为质心处三个正应力，τij为该点的切应力；

13、通过求解由正应力、切应力构成的3×3矩阵得出该点处三个主应力的大小：

14、λi＝(ξ1 ξ2 ξ3)＝(σ1 σ2 σ3)                (2)

15、式中，ξi为矩阵特征值，σi为该点三个主应力大小；

16、s14，提取最大主应力，计算其在指定向量上的投影，确定单胞排列方向，将最大主应力f分别向l1、l2、l3进行投影，选取投影值最大的方向作为单胞结构中加强支柱所在的方向，力f可表示为：

17、

18、力f在l1、l2、l3的投影可表示为：

19、

20、进一步的技术方案在于，所述步骤s2具体包括如下步骤：

21、s21，选取fbcc-z结构作为点阵结构待填充的单胞模型；

22、s22，使用for循环遍历结构每个单元，提取有限元结构每个单元节点数据和质心应力数据，并将提取的单元数据通过字典的方式进行存储；

23、s23，通过使用python语言对abaqus进行二次开发构造单胞结构，首先在单元质心处建立参考点，分别创建八个顶点到质心处的连线，其次将最大投影向量l1的两端点(c1、c2)所在面的顶点[(0,3,7,4),(1,2,6,5)]对应连接组成单胞结构一维梁单元模型；

24、s24，使用for循环命令遍历结构所有单元，遵循应力投影法则计算每个单元质心处最大主应力的投影方向，并依据单胞结构构造法则进行点阵结构构造。

25、进一步的技术方案在于，所述步骤s3具体步骤如下步骤：

26、s31，采用创建实体杆和实体球的方法，在点阵结构梁单元模型的基础上，通过使用python语言对abaqus进行二次开发创建参数化实体结构，在每个单胞结构的顶点处创建实体球，点与点之间采用圆柱连接，实体球和杆的直径保持一致；

27、s32，使用for循环遍历每个单胞结构，在构造的点阵结构线结构的基础上根据实体构造法则，为结构中每个单胞结构创建实体模型；

28、s33，将所有实体杆、球进行布尔和运算操作，完成点阵结构参数化实体建模操作，输出点阵结构step实体模型。

29、进一步的技术方案在于，所述的步骤s4具体包括如下步骤：

30、s41，选取三种不同类型的单胞结构，通过使用abaqus对结构进行准静态压缩实验，模拟结构20％的应变压缩；

31、s42，提取单胞结构中力随位移变化曲线，通过换算得出每个单胞结构的应力-应变曲线，通过观察应力-应变曲线得出各个单胞结构的最大屈服强度及刚度；

32、s43，将单胞力学性能最优的结构组成的点阵结构，与使用fbcc-z结构组成的点阵结构，进行力学性能对比分析。

33、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有点阵结构相比，本发明基于单胞结构各向异性的特性，结合单元载荷路径对单胞结构进行排列优化，进一步提升了结构力学性能；对于点阵结构实体模型的构造，本发明通过使用参数化建模的方法构造点阵实体结构，有效提高了点阵结构建模效率，同时，得益于该方法的构造特点，解决了点阵结构杆件连接处存在应力集中问题，提升了结构整体力学性能。

技术特征：

1.一种基于载荷路径定向的点阵结构构造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的基于载荷路径定向的点阵结构构造方法，其特征在于，所述步骤s1，其具体包括如下步骤：

3.如权利要求1所述的基于载荷路径定向的点阵结构构造方法，其特征在于，所述步骤s2，具体包括如下步骤：

4.如权利要求1所述的基于载荷路径定向的点阵结构构造方法，其特征在于，所述步骤s3具体步骤如下步骤：

5.如权利要求1所述的基于载荷路径定向的点阵结构构造方法，其特征在于，所述的步骤s4具体包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于载荷路径定向的点阵结构构造方法，包括以下步骤：结构单元载荷传递路径分析，基于单元应力数据构造应力张量矩阵，分析单元载荷指向；各向异性点阵结构梁单元模型构造，结合单元载荷传递路径，确定单胞结构排列方向，完成各向异性点阵结构构造；点阵结构参数化实体建模，将点阵结构实体杆、球进行参数化设置，通过输入杆径尺寸完成参数化建模；点阵结构力学性能分析，使用有限元分析法，验证点阵结构力学性能。本发明所述方法充分利用单胞结构各向异性的特性，结合单元载荷传递路径对单胞结构进行排列优化，有效提升了点阵结构力学性能。

技术研发人员：杨光,郭子腾,张永弟,王金业,杨立宁,孙占朋,李铁军
受保护的技术使用者：河北科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11