通过变厚度设计实现具有优异刚度且弹性各向同性的开孔极小曲面壳晶格
数值分析
2021-09-24 v2 数值分析
摘要
三周期极小曲面（TPMS）壳晶格因其独特的几何与力学特性组合以及开孔拓扑而受到越来越多的关注。然而，等厚度 TPMS 壳晶格的刚度通常是各向异性的，即沿不同晶格方向具有不同的杨氏模量。为降低弹性各向异性，我们提出一类通过基于应变能量的优化算法设计的变厚度 TPMS 壳晶格，其刚度各向同性。优化结果表明，全部六种所选类型的 TPMS 晶格均可通过改变壳厚度实现各向同性刚度，其中 N14 可保持超过 Hashin-Shtrikman 体积模量上限的 90%。所有优化后的壳晶格均展现出优异的刚度特性，并显著优于等相对密度的弹性各向同性桁架晶格。通过微激光粉末床熔融技术使用 316L 不锈钢制备了沿 [100]、[110] 与 [111] 方向的均匀与优化两类 N14 壳晶格，并在准静态压缩载荷下测试。实验结果表明，优化 N14 晶格的弹性各向异性较均匀晶格降低。大变形压缩结果揭示了沿不同方向的不同失效变形行为。[100] 方向呈现层状塑性屈曲失效模式，而 [110] 与 [111] 方向的失效与剪切变形相关。优化 N14 晶格具有降低的平台应力各向异性，甚至可达到近乎各向同性的能量吸收能力。
引用
@article{arxiv.2105.03046,
title = {Elastically-isotropic open-cell minimal surface shell lattices with superior stiffness via variable thickness design},
author = {Qingping Ma and Lei Zhang and Junhao Ding and Shuo Qu and Jin Fu and Mingdong Zhou and Ming Wang Fu and Xu Song and Michael Yu Wang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2105.03046},
year = {2021}
}
备注
16 figures, 6 tables, 59 references