[发明专利]一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法

权利要求书

1.一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立几何模型，提取构建模型的结构参数；

步骤2：推导结构的相对密度、等效弹性模量、泊松比、失效应力与步骤1中提取的结构参数之间的关系；

步骤3：对步骤1的模型进行压缩和冲击仿真，根据仿真结果拟合应力应变曲线，利用应力应变曲线计算单位质量材料吸收能量，根据所需能量吸收性能确定步骤1中的各结构参数x_n的取值范围；

步骤4：对结构参数进行归一化处理，确定归一化后各结构参数与单位质量材料吸收能量之间的关系，获得各结构参数对单位质量材料吸收能量的影响系数t_i，取影响系数大于最大影响系数50％的结构参数，设为[y₁,y₂,…,y_m]^T；

步骤5：结合步骤2的计算结果，以初始峰应力和比吸能为目标对步骤4中选取的结构参数[y₁,y₂,…,y_m]^T进行优化；

步骤6：计算步骤5结构参数对应的初始峰应力和比吸能，若不符合要求则增加优化次数，再次进入步骤5迭代循环，当初始峰应力和比吸能达到要求时，结束循环；

步骤7：根据步骤6获得的优化后的结构参数进行模型构建，得到目标模型优化后的三维抗冲击负泊松比结构。

2.根据权利要求1所述的一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤如下：

步骤2.1：建立相对密度、等效弹性模量、泊松比、失效应力与结构参数的函数关系；

步骤2.2：分析结构参数与结构性质的对应关系，通过计算获取不同结构参数下的结构的性质。

3.根据权利要求1所述的一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤如下：

步骤3.1，对步骤1的模型进行压缩和冲击仿真，推导应力应变之间的关系函数，利用仿真结果拟合关系函数中的参数，确定应力应变关系；

步骤3.2，根据步骤3.1中的应力应变关系计算单位质量材料吸收能量与应力之间的关系；

步骤3.3，根据步骤3.2获得的单位质量材料吸收能量与应力之间关系确定步骤1中的各结构参数x_n的取值范围。

4.根据权利要求1所述的一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤如下：

步骤4.1，对步骤1中的结构参数进行归一化处理，得到：

式中：x_i为步骤1中的结构参数，x_max为该结构参数可取的最大值，x_min为该结构参数可取的最小值；进而确定q_i与单位质量材料吸收能量w之间的关系；

步骤4.2，根据步骤4.1获得的q_i与单位质量材料吸收能量w之间的关系，得到各归一化参数q_i对单位质量材料吸收能量的影响系数：

式中：w₀为平台应力增强区起始点时的单位质量材料吸收能量值，q_i为归一化后的结构参数，σ为负泊松比结构受力时的应力；

步骤4.3，根据t_i的大小确定各结构参数对结构能量吸收性能的影响，取的参数为主要参数，记为[y₁,y₂,…,y_m]^T。

5.根据权利要求1所述的一种三维抗冲击负泊松比结构的设计方法，其特征在于，所述步骤5的具体步骤如下：

步骤5.1，建立优化模型：

min f(y)＝(f₁(y),...,f_p(y))^T

将其设计域记为S，如果能得到一个可行解y*∈S，使得对于有f(y*)＜f(y)，则称y*为多目标优化问题的最优解，g_i(y)≥0为不等式约束，h_j(y)＝0为等式约束，约束条件包括杆件几何约束，结构强度约束，p为优化目标的个数，k₁和k₂分别为不等式约束和等式约束个数；

步骤5.2，选取最优拉丁方设计方法，在变量参数阈值范围内选取N组采样点，所述变量参数为[y₁,y₂,…,y_m]^T；

步骤5.3，利用最优拉丁方设计提取样本，采用最小二乘法进行多项式拟合；

步骤5.4，选取[y₁,y₂,…,y_m]^T的最高阶数均为2阶，并建立2阶响应面模型；

步骤5.5，采用非支配排序遗传算法NSGA-II对近似的2阶响应面模型来进行多目标优化设计。