一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法

技术特征：
1.一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，其特征在于，包括：s1：建立需要优化的传统桁架点阵结构作为初始点阵结构；s2：推导初始点阵结构单向刚度与倾斜角度的计算公式；s3：利用所推导的公式计算出初始点阵结构单向刚度最大时的最佳倾斜角度；s4：对初始点阵结构基于最佳倾角进行倾斜变换，获得单向刚度最大化的倾斜优化点阵结构；s5：对倾斜优化点阵结构取其1/4并进行镜像及组合设计，获得镜像组合改进结构，以保证单向刚度最大的前提下，弥补其余方向刚度损失；s6：对镜像组合改进结构提取中心单元，得到新型点阵单胞；s7：对新型点阵单胞进行阵列，得到新型点阵结构；s8：输出s7得到的新型点阵结构。2.根据权利要求1所述的一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，其特征在于，所述s1构建需要优化的传统桁架点阵结构，包括确定点阵类型，单胞尺寸，点阵规模，相对密度，杆径，结构所用材料的弹性模量e
c
，泊松比υ，密度ρ，结构底端完全固定，顶端受竖直向下的位移载荷p。3.根据权利要求1所述的一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，其特征在于，所述s2中推导初始点阵结构单向刚度与倾斜角度的计算公式的过程如下：(1)对点阵结构进行受力分析，对受压后得到的倾斜点阵中的各杆，按受力不同进行分类，并求得各类杆的变形力；(2)根据受力求出应力，根据变形求出应变；(3)根据应力、应变求出单向压缩刚度，得到单向刚度与倾斜角度的计算公式。4.根据权利要求1所述的一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，其特征在于，所述s2中，初始点阵结构为sc-bcc点阵时，单向刚度e
sc-bcc
与倾斜角度α的计算公式e
sc-bcc
＝f(α)的推导过程如下：(a)对受压后的倾斜点阵中的各杆，按受力不同进行分类，并求得各类杆的变形力，假设为受压后的倾斜点阵中包括杆12、杆15、杆17、杆53，其受压缩后的变形力的变形力分别为：为：为：为：(b)根据受力求出应力，根据变形求出应变：
(c)根据应力、应变求出单向压缩刚度：代入得：其中，f
12
、f
15
、f
17
、f
53
分别为杆12、杆15、杆17、杆53受压缩后的变形力；i为圆杆转动惯量；δ为各杆受压缩后的应变；e
c
为基材弹性模量；r为杆半径；d为杆直径；α为倾斜角度；γ1、γ2、γ3分别为不同杆的空间角，与倾斜角度α有关；l
12
、l
15
、l
17
、l
53
分别为杆12、杆15、杆17、杆53的杆长；σ为点阵整体等效应力；a为点阵受压缩方向截面面积；ε为点阵整体等效应变；h为点阵受压缩方向初始高度；e为压缩方向等效弹性模量；e
sc-bcc
为sc-bcc点阵结构倾斜α角度后的压缩方向等效弹性模量；l为初始点阵杆长；l
e
为倾斜点阵等效杆长。5.根据权利要求4所述的一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，其特征在于，所述(c)中空间角γ1、γ2、γ3采用空间坐标法获得，倾斜点阵等效杆长l
e
利用立体几何法获得：获得：获得：获得：6.根据权利要求1所述的一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，其特征在于，所述s5取倾斜点阵1/4进行镜像及组合设计，获得镜像组合改进结构，并保证阵列规模n
×
n
×
n中n≥n’，n’的取值由初始点阵结构点阵规模n
’×
n
’×
n’得到，且n为偶数；镜像后的各部分采用布尔并运算，该运算将所取的倾斜点阵的1/4部分与其镜像后的部分沿镜像面合并到一起，得到一个完整的镜像组合改进结构，采用结构孪晶面个数n
tb
来评价性能提升效果。7.根据权利要求6所述的一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，其特征在于，所述s6对镜像组合改进结构提取中心单元，其提取准则为保证提取后的中心单元为镜像组合改进结构中最大重复单元。
8.根据权利要求6所述的一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，其特征在于，所述s6对镜像组合改进结构提取中心单元，中心单元具体提取方法为：以镜像组合改进结构中心点为基准进行正方形框选，正方形边长为a:其中，l
imp
为镜像组合改进结构边长；n即为所述阵列规模n
×
n
×
n中的n。9.根据权利要求6所述的一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，其特征在于，对所述s7新型点阵单胞进行阵列，得到新型点阵，其阵列数n＝n/2，新型点阵结构孪晶面个数n
tb
为2n。

技术总结
本发明公开了一种新型高刚度高强度高韧性点阵的设计方法，建立初始点阵结构；推导初始点阵结构单向刚度与倾斜角度的计算公式；计算出初始点阵结构单向刚度最大时的最佳倾斜角度；对初始点阵结构基于最佳倾角进行倾斜变换，获得单向刚度最大化的倾斜优化点阵结构；对倾斜优化点阵结构取其1/4并进行镜像及组合设计，获得镜像组合改进结构；对镜像组合改进结构提取中心单元，得到新型点阵单胞；对新型点阵单胞进行阵列，得到新型点阵结构并输出。获得了一种对传统桁架点阵的通用优化方法，对传统桁架点阵均有效，可解决传统设计理论薄弱，经验及仿真依赖性强的缺点。经验及仿真依赖性强的缺点。经验及仿真依赖性强的缺点。


技术研发人员：李大伟 宋康辉 张长东 刘婷婷 廖文和
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2022.09.02
技术公布日：2022/11/11