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基于Timoshenko梁模型的变截面体心立方梯度点阵结构力学特性研究
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作者 杨鄂川 谭成帅 +3 位作者 马婧华 李映辉 覃亮 孔垂建 《力学季刊》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期401-410,共10页
针对由变截面杆构成的体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)梯度点阵结构,推导了BCC线性变截面弯折杆弯矩的分布表达式,应用于Timoshenko梁理论,得到了梯度点阵结构的力学特性参数化理论预测模型;采用六面体实体单元建立了BCC变截面单胞... 针对由变截面杆构成的体心立方(Body-Centered Cubic, BCC)梯度点阵结构,推导了BCC线性变截面弯折杆弯矩的分布表达式,应用于Timoshenko梁理论,得到了梯度点阵结构的力学特性参数化理论预测模型;采用六面体实体单元建立了BCC变截面单胞单元和梯度点阵结构的有限元模型,完成了仿真分析,验证了理论预测模型的有效性.对于梯度点阵结构则采用3D打印技术并选择316L金属粉末制备试样,开展了准静态压缩力学试验,同时也完成了同样工况下的有限元仿真分析,验证了Timoshenko梁模型对于长径比10以下梯度点阵结构力学特性研究的适用性,最后通过理论模型讨论了不同长径比、单胞尺寸、单胞数量和梯度方向等各种梯度点阵结构力学特性的变化规律.研究结果表明:对于线性变截面弯折杆,文中所推导的弯矩分布更加精确,能有效降低理论解的误差;采用本文中的理论预测模型,若长径比在3.5~8.7区间内,BCC变截面单胞单元及梯度点阵结构的等效弹性模量解的误差在3%以内. 展开更多
关键词 梯度点阵结构 力学特性 TIMOSHENKO梁 理论预测
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基于应变能动态聚类的梯度点阵结构优化设计
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作者 梁有鹏 徐亮 钱征华 《南京航空航天大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第1期58-66,共9页
为了优化具有空间渐变几何特点的梯度点阵结构,促使有限材料在宏观结构中实现合理分布,提出结合动态聚类的两尺度并发拓扑优化方法。在整个优化过程中,微结构分区方式可以通过K-means聚类方法基于当前的宏观单元应变能进行聚类更新,获... 为了优化具有空间渐变几何特点的梯度点阵结构,促使有限材料在宏观结构中实现合理分布,提出结合动态聚类的两尺度并发拓扑优化方法。在整个优化过程中,微结构分区方式可以通过K-means聚类方法基于当前的宏观单元应变能进行聚类更新,获得比静态分区更为合理的微结构分布方式;并引入微结构转角变量,根据结构主应力方向来布置微结构转角,获得更为合理的宏观结构传力路径。数值算例表明,相较于传统指定材料区域的静态分区方法,该方法可以更为有效地进行材料分布,充分利用材料的各向异性,提升结构性能。 展开更多
关键词 梯度点阵结构 拓扑优化 动态聚类 K-means方法 映射方法
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变体分比功能梯度点阵结构两尺度拓扑优化设计
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作者 梁有鹏 徐亮 +1 位作者 刘电子 钱征华 《计算力学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期339-347,共9页
功能梯度点阵结构以其轻质、高比强度/比刚度及高抗断裂韧性等诸多优越的性能受到广泛关注,由于其跨尺度及空间渐变的几何结构特点,目前功能梯度点阵结构的设计仍然是一项具有挑战性的任务.本文采用两步优化策略进行多分区功能梯度点阵... 功能梯度点阵结构以其轻质、高比强度/比刚度及高抗断裂韧性等诸多优越的性能受到广泛关注,由于其跨尺度及空间渐变的几何结构特点,目前功能梯度点阵结构的设计仍然是一项具有挑战性的任务.本文采用两步优化策略进行多分区功能梯度点阵结构刚度优化设计.(1)结合离散材料优化方法进行多分区离散材料优化,获得宏观均匀结构拓扑及合理的微结构分区.(2)进行空间梯度变化点阵结构参数优化,进一步扩大设计空间,获得变体分比的结构设计.相较于单一点阵微结构设计,两步优化策略可以更为有效地实现材料利用,显著提高结构刚度,且该方法适用于不同微结构构型,数值算例验证了该方法的有效性. 展开更多
关键词 拓扑优化 梯度点阵结构 DMO 变体分比
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单胞构型和结构参数对SLM成形梯度点阵结构压缩性能的影响
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作者 张博 王国伟 +5 位作者 孙明艳 秦煜 沈显峰 王超 黄姝珂 方辉 《稀有金属材料与工程》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第4期1021-1031,共11页
梯度点阵结构由于压缩时具有优秀的吸能能力,目前常作为吸能组件被应用于航天、国防和医疗等领域。但随着现代工业的发展,工程领域对其压缩性能提出了更高的要求,为使其进一步优化,有必要探讨单胞构型、结构参数和压缩性能之间的关系。... 梯度点阵结构由于压缩时具有优秀的吸能能力,目前常作为吸能组件被应用于航天、国防和医疗等领域。但随着现代工业的发展,工程领域对其压缩性能提出了更高的要求,为使其进一步优化,有必要探讨单胞构型、结构参数和压缩性能之间的关系。因此本研究通过选区激光熔化(selective laser melting,SLM)成形了2种梯度差的AlSi10Mg变杆径梯度体心立方(body-centered cubic,bcc)和金刚石(diamond,Diam)结构,结合有限元分析(finite element analysis,FEA)研究梯度差对压缩性能的影响,并对2种单胞构型进行对比。准静态单轴压缩实验的结果表明,在同相对密度下,当单胞构型相同时,随着梯度差的增加单位体积吸能量明显增加,而梯度差相同时,Diam梯度点阵结构的压缩模量、屈服强度、抗压强度和最大峰值应力均高于bcc,同时其单位体积吸能量和吸能效率也高于bcc。 展开更多
关键词 选区激光熔化 梯度点阵结构 压缩性能 有限元分析
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激光选区熔化成形拓扑优化梯度点阵结构的抗压性能研究 被引量:1
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作者 杨泽凌 徐仰立 《应用激光》 CSCD 北大核心 2023年第5期1-10,共10页
点阵结构具有优异的抗压性能和吸能性能,被广泛应用于生物医疗、车辆工程和航空航天等领域。采用拓扑优化设计和激光选区熔化成形技术(SLM),制备一系列等密度和梯度点阵结构,研究其表面形貌、抗压形变行为和吸能性能。研究结果表明,SLM... 点阵结构具有优异的抗压性能和吸能性能,被广泛应用于生物医疗、车辆工程和航空航天等领域。采用拓扑优化设计和激光选区熔化成形技术(SLM),制备一系列等密度和梯度点阵结构,研究其表面形貌、抗压形变行为和吸能性能。研究结果表明,SLM技术具备成形微小结构的能力,可制备出相对密度大于0.20的点阵结构;等密度点阵结构的抗压形变机制为整体发生弹性屈曲,进而实现致密化,而梯度点阵结构的抗压形变机制为逐层发生形变压实,达到致密化;点阵结构的能量吸收能力值与相对密度成正比,与结构类型无关;能量吸收效率受结构的密度分布影响,梯度点阵结构具有更高的能量吸收效率。 展开更多
关键词 激光选区熔化 拓扑优化 梯度点阵结构 316L不锈钢 压缩行为 吸能性能
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多层尺寸梯度面心立方点阵结构力学性能研究 被引量:2
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作者 张武昆 谭永华 +2 位作者 高玉闪 王珺 赵剑 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期21-30,共10页
针对均匀点阵结构能量吸收性能低和截面梯度点阵结构刚度性能较差的问题,设计了多层尺寸梯度面心立方点阵结构,通过理论、仿真和试验方法研究了其力学性能。首先,采用SS316L不锈钢材料和选择性激光熔融(SLM)技术,制备了胞元尺寸梯度面... 针对均匀点阵结构能量吸收性能低和截面梯度点阵结构刚度性能较差的问题,设计了多层尺寸梯度面心立方点阵结构,通过理论、仿真和试验方法研究了其力学性能。首先,采用SS316L不锈钢材料和选择性激光熔融(SLM)技术,制备了胞元尺寸梯度面心立方(SG-FCC)和均匀面心立方(U-FCC)两种点阵结构的试验件,并进行了准静态压缩试验;然后,在试验和有限元分析的基础上,获得了两种点阵结构在压缩过程的力学行为,基于杆梁变形理论和多层梯度点阵结构刚度组集方法,提出了两种点阵结构的等效弹性模量理论模型;最后,研究了不同梯度因子对SG-FCC点阵结构压缩性能的影响规律。试验结果表明:相比于U-FCC点阵结构,SG-FCC点阵结构的力学性能更加优异,其刚度和比刚度分别增长了17.8%和16.2%,吸能量和比吸能量分别提高了10.8%和10.36%。所提出的SG-FCC点阵结构弹性模量理论模型与试验和有限元分析结果相比吻合较好,误差小于10%,可用于SG-FCC点阵结构的刚度预测;当梯度因子为1.5时,SG-FCC点阵结构的刚度性能较好;当梯度因子为3时,SG-FCC点阵结构的吸能性能较好。该研究可为集高刚度和大吸能性能的轻质化结构设计和工程应用提供参考。 展开更多
关键词 梯度面心立方点阵结构 弹性模量 压缩性能 梯度因子 有限元分析
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C/SiC陶瓷基梯度点阵复合材料结构传热性能 被引量:5
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作者 曾涛 杜长龙 +1 位作者 成夙 王志海 《哈尔滨理工大学学报》 CAS 北大核心 2017年第4期129-134,共6页
针对高速飞行器的防热需求,设计了C/SiC陶瓷基梯度点阵热防护结构。基于离散坐标辐射模型和层流模型,建立了传导、辐射、对流换热耦合条件下梯度点阵结构的三维传热模型,提出了梯度点阵结构传热系数的计算方法。为保证计算方法的正确性... 针对高速飞行器的防热需求,设计了C/SiC陶瓷基梯度点阵热防护结构。基于离散坐标辐射模型和层流模型,建立了传导、辐射、对流换热耦合条件下梯度点阵结构的三维传热模型,提出了梯度点阵结构传热系数的计算方法。为保证计算方法的正确性,对点阵结构高温传热的数值计算方法进行了对比验证,数值计算结果与实验结果具有很好的一致性。最后探讨了高温环境和材料细观结构尺寸变化对C/SiC陶瓷基点阵结构传热系数的影响,提出了C/SiC陶瓷基梯度点阵结构设计和使用过程中需要重点考虑的因素。 展开更多
关键词 温度场 传热 数值分析 梯度点阵结构
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芯体截面梯度变化的点阵夹层结构吸能特性研究 被引量:10
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作者 朱凌雪 朱晓磊 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2018年第14期115-121,共7页
应用有限元分析方法,对芯杆直径沿点阵夹层结构厚度方向梯度变化的点阵夹层结构平压性能进行了分析,并将计算结果与传统点阵夹层结构进行了对比。结果表明:通过比较极限承载力计算模型和有限元分析结果其最大误差为8.9%,芯体截面梯度变... 应用有限元分析方法,对芯杆直径沿点阵夹层结构厚度方向梯度变化的点阵夹层结构平压性能进行了分析,并将计算结果与传统点阵夹层结构进行了对比。结果表明:通过比较极限承载力计算模型和有限元分析结果其最大误差为8.9%,芯体截面梯度变化的点阵夹层结构极限承载力小于传统点阵夹层结构。芯体截面梯度变化的点阵夹层结构面比吸能和圧溃载荷率要优于传统点阵夹层结构,且当梯度化系数为0.05时,芯体截面梯度变化的点阵夹层结构面比吸能和圧溃载荷率达到最大值。 展开更多
关键词 芯体截面梯度变化点阵夹层结构 点阵夹层结构 吸能特性 压缩载荷
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Compressive properties and energy absorption of BCC lattice structures with bio-inspired gradient design 被引量:1
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作者 Fuchao Gao Qinglei Zeng +2 位作者 Jing Wang Zengfei Liu Jun Liang 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第1期110-122,共13页
Inspired by the gradient structure of the nature,two gradient lattice structures,i.e.,unidirectional gradient lattice(UGL)and bidirectional gradient lattice(BGL),are proposed based on the body-centered cubic(BCC)latti... Inspired by the gradient structure of the nature,two gradient lattice structures,i.e.,unidirectional gradient lattice(UGL)and bidirectional gradient lattice(BGL),are proposed based on the body-centered cubic(BCC)lattice to obtain specially designed mechanical behaviors,such as load-bearing and energy absorption capacities.First,a theoretical model is proposed to predict the initial stiffness of the gradient lattice structure under compressive loading,and validated against quasi-static compression tests and finite element models(FEMs).The deformation and failure mechanisms of the two structures are further studied based on experiments and simulations.The UGL structure exhibits a layer-by-layer failure mode,which avoids structure-wise shear failure in uniform structures.The BGL structure presents a symmetry deformation pattern,and the failure initiates at the weakest part.Finally,the energy absorption behaviors are also discussed.This study demonstrates the potential application of gradient lattice structures in load-transfer-path modification and energy absorption by topology design. 展开更多
关键词 Gradient lattice structure Quasi-static compression test Mechanical performance Finite element analysis Energy absorption
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