点阵结构是一种先进的轻质功能结构,在航空航天领域应用越来越广泛,设计出满足特定功能需求的点阵结构来拓展零件功能,是当前需要解决的关键问题之一。基于拓扑优化原理进行点阵结构的设计,对多种点阵结构的性能进行了仿真分析和物理实验分析,并对实验结果进行了对比。对主要受拉压应力的连杆填充相应的点阵结构进行轻量化优化设计,结果表明,采用点阵结构填充后的试验件质量减小了1/3,比刚度是原来的1.9倍。

点阵结构在航空航天领域有着巨大的应用潜力,其尺寸精度与功能特性密切相关。工业CT是对三维点阵结构进行尺寸特征检测的最佳选择之一。针对点阵结构的CT扫描数据提出了基于骨架特征的点阵周期性间距测量方法。通过网格收缩算法构建点阵结构的骨架模型。在此基础上,采用模板特征匹配法分离点阵单元并提取点阵单元中心点,实现点阵单元间距的测量。实验结果表明,骨架模板特征匹配法能够实现三维点阵结构内外尺寸特征的测量,具有效率高、稳定性好等优点。

为能够快速、准确地预测点阵结构的力学性能,研究了点阵中杆的相交区域对刚度的影响规律。以3D实体单元模型预测结果为参考,在梁单元的基础上进行修正,提出了一种多分辨率梁单元模型。在ABAQUS中对多分辨率梁单元模型和3D实体单元模型做了准静态压缩有限元仿真分析,发现应力-应变曲线较为吻合,表明多分辨率梁单元模型解决了3D实体单元计算成本高和梁单元计算精度低的问题,可以替代3D实体单元用于大规模点阵的力学性能分析。最后通过选择性激光熔融技术(SLM)制造了不同杆径的体心立方(BCC)点阵进行准静态压缩实验,实验结果表明,多分辨率梁单元模型和3D实体单元模型能较好地预测点阵结构的刚度。

点阵结构作为一种新型轻质功能结构,具有高承载力、高强度、轻质量等一系列优异的力学性能,在航空航天、轨道交通、船舶等工程领域得到广泛应用。针对典型零件扩张调节片结构的轻量化设计问题,提出一种基于均匀化的点阵拓扑和尺寸优化方法,通过MATLAB、ABAQUS和OPTISTRCUT软件对扩张调节片结构进行点阵拓扑优化建模,为结构的轻量化设计提供理论依据。根据上述已建立的点阵拓扑优化模型,分别探究了高低密度点阵结构和最长点阵结构尺寸对其点阵拓扑优化效果的影响,并通过静力学仿真分析求解位移变形和应力云图来进一步揭示点阵拓扑优化的效果。结果表明,高密度和小尺寸点阵结构更有利于扩张调节片结构的轻量化设计。

为提高防冲液压支架的让位吸能大小,提高防冲液压支架的安全性,设计一种点阵让位吸能装置。采用有限元仿真的方式分别研究3种典型点阵胞体的比吸能及单位质量支撑力,确定金字塔结构为最佳拓扑胞体结构。采用三因素五水平的正交实验分析胞体高度,胞体立足倾斜宽度及胞体立足直径对点阵芯体的吸能大小及支撑力的影响规律,确定最佳的胞体结构参数。通过仿真分析得到最佳结构参数的金字塔点阵吸能装置的总吸能为1470 kJ,支撑力为4679.76 kN,且支撑力较平稳。证明金字塔结构点阵吸能装置具有优越的吸能性,能够提高防冲液压支架的安全性。