[发明专利]一种可指定晶格各向异性性能的晶格结构设计方法

说明书

本发明涉及一种可指定晶格各向异性性能的晶格结构设计方法，属于多孔晶格结构的设计与性能控制技术领域。通过建立不同层的晶格结构与调整晶格层之间的参数实现晶格的各向异性控制。得到二层晶格模型的参数与各向异性指数的映射函数三层晶格模型的参数与各向异性指数的映射函数指定待设计晶格的各项异性指数为A，若|A–A3_ave||A–A2_ave|，则选定二层晶格桁架结构作为目标结构，并利用映射函数求得晶格参数；否则选定三层晶格桁架结构作为目标结构，并利用映射函数求得晶格结构设计参数。实现晶格各向异性的参数化设计。

技术领域

本发明涉及晶格结构的设计与性能控制技术领域，具体地说，涉及一种可指定晶格各向异性性能的晶格结构设计方法。

背景技术

晶格结构通常是从二维或三维重复的基本晶格中获得的。它们具有多种优势：高强度/重量比，能量吸收，声学和振动阻尼，热管理能力。由于其优异的性能，晶格结构在许多领域带来了前所未有的变化，例如用作骨科植入物，超轻航空零件，装甲防护能量吸收，换热器。

得益于增材制造技术的发展，经过特殊设计的晶格结构得以被有效制造，使得可通过针对性设计对晶格性能进行控制，设计制造出更加符合需求的功能结构。关于晶格性能控制的设计方法，特别是各向异性性能的控制方法，现有文献已有提出。

如公布号为CN109869430A的中国专利申请文献公开了一种面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法，通过调整点阵结构的杆径的方式实现了点阵结构的性质梯度变化。另有公布号为CN110849723A的中国专利申请文献公开了一种点阵或多孔结构的各向异性的测试方法，通过三维建模与设计拉伸试验，可以实现各种点阵或多孔结构的各向异性的拉伸测试分析。但以上两篇文献均无法实现对晶格的各向异性性能进行调整和指定。

发明内容

本发明的目的是提供一种可指定晶格各向异性性能的晶格结构设计方法，该方法通过建立不同层的晶格结构与调整晶格层之间的参数实现晶格的各向异性控制。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的可指定晶格各向异性性能的晶格结构设计方法包括以下步骤：

1)给定材料M；

2)建立基本晶格单元的拓扑结构，并通过参数化建模得到若干二层晶格模型和若干三层晶格模型；

3)离散化采样得到二层晶格模型的参数与各向异性指数的映射函数并计算所有二层晶格模型的各向异性指数的均值A2_ave；

4)离散化采样得到三层晶格模型的参数与各向异性指数的映射函数并计算所有三层晶格模型的各向异性指数的均值A3_ave；

5)指定待设计晶格的各项异性指数为A，若|A–A3_ave||A–A2_ave|，则选定二层晶格桁架结构作为目标结构，并利用映射函数求得晶格参数；否则选定三层晶格桁架结构作为目标结构，并利用映射函数求得晶格结构设计参数；

6)利用材料M及步骤5)求得的晶格设计参数进行目标晶格设计。

上述技术方案中，通过各向异性是材料的特性，可以使其在不同方向上改变或呈现不同的特性。当沿着不同的轴进行测量时，可以定义为材料的物理或机械性能(吸光度，折射率，电导率，拉伸强度等)之间的差异。在计算固体力学中，刚度矩阵用来表征单元体的受力与变形的关系，进而由刚度矩阵得到各向异性指数A。用来衡量晶格的各向异性性能，当A接近1，则各向同性的性能较好；当A远离1时,则各向异性特点较强。在一般结构中，结构的应力应变关系服从广义胡克定律，应力应变关系表示为{σ}＝[C]{ε}，其中[C]为刚度矩阵，由于模型的对称性，晶格单元的刚度矩阵可简化为：

各向异性指数：

作为优选，步骤3)和步骤4)中晶格模型的各项异性指数通过以下方法获得：