[发明专利]一种点阵材料变形模式的有限元分析方法

说明书

本发明公开了一种点阵材料变形模式的有限元分析方法，属于材料力学性能分析技术领域。该方法包括建立点阵材料变形模式的有限元分析模型，其由依次包括创建部件、创建属性、装配部件、创建分析步、创建场输出变量、定义边界条件、划分网格、提交计算和后处理的子步骤单元组成，对ABAQUS/Standard模式下的场输出变量NFORCSO进行二次有限元分析，其中梁单元的轴向力、弯矩和剪切力分别对应拉伸、弯曲和剪切变形模式，得到梁单元的拉伸、弯曲和剪切三种变形模式导致的应变能，点阵材料三维结构的应变能为所有梁单元应变能之和，可以实现对点阵材料在压缩过程中发生的变形模式定量和可视化效果。

技术领域

本发明属于材料力学性能分析技术领域，具体涉及一种点阵材料变形模式的有限元分析方法。

背景技术

3D打印技术促进了点阵材料结构设计和制备技术的发展，自2005年通过3D打印工艺成功制备点阵材料以来，越来越多复杂的点阵材料如杆类、板类和曲面类应运而生。点阵材料具有三种变形模式：拉伸、弯曲和剪切变形模式，其中拉伸变形效率最高，弯曲变形效率较低。

现有技术中，用于评估点阵材料变形模式主要采用Gibson-Ashby模型和解析模型，Gibson-Ashby模型根据Maxwell方程简单而笼统地将点阵材料分为拉伸主导型和弯曲主导性点阵材料，但忽略了拉伸主导型点阵材料的弯曲和剪切变形模式以及弯曲主导型点阵材料的拉伸和剪切变形模式，Maxwell标准只能定性地判断点阵材料是哪种变形模式，而且是必要不充分条件，无法实现可视化和定量分析，缺乏具体的指导路线；解析模型需要对点阵材料进行繁琐而复杂的力学推导，同样也无法对点阵材料结构中具体哪个部位以哪种变形模式为主导进行可视化分析。目前缺少定量和可视化评估点阵材料变形模式的方法，而评估变形模式可以指导设计以拉伸变形模式为主的点阵材料，从而得到高强度高刚性的点阵材料。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种点阵材料变形模式的有限元分析方法，可以实现对点阵材料在压缩过程中发生的变形模式定量和可视化效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种点阵材料变形模式的有限元分析方法，包括以下步骤：

步骤一：采用单胞微结构有限次阵列方式得到微结构在三维空间周期性排列的点阵材料，并对所述点阵材料顶部的点和一参考点进行耦合，构建点阵材料变形模式的有限元分析模型，具体由依次包括创建部件、创建属性、装配部件、创建分析步、创建场输出变量、定义边界条件、划分网格、提交计算和后处理的子步骤单元组成；其中，所述场输出变量为ABAQUS/Standard模式下的场输出变量NFORCSO，所述点阵材料变形模式为弹性变形或塑性变形阶段的拉伸、弯曲和剪切变形模式；

步骤二：对步骤一中所述场输出变量进行二次有限元分析，得到所述点阵材料中梁单元的轴向力、弯矩和剪切力，分别对应拉伸、弯曲和剪切变形模式，再通过以下公式(1)至(3)得到所述梁单元的拉伸、弯曲和剪切三种变形模式导致的应变能：

其中，E和G为基体材料的杨氏模量和剪切模量；A为梁的截面积，L为梁的长度，M为弯矩，F为梁的轴向力；

所述点阵材料三维结构的应变能为所有梁单元的应变能之和，通过以下公式(4)至(6)得到：

优选地，所述点阵材料选自金刚石点阵材料或正交十二面体点阵材料。

优选地，所述点阵材料的细长度为点阵材料单胞的杆长度l与杆直径d的比值，l/d为1–10。