摘要：点阵结构因其比强度高、比刚度高,减振降噪性好和隔热吸能能力强等特点,已被广泛应用于航空航天和交通运输等领域主承力零部件设计.但现有的点阵结构设计大都基于等截面假设开展,严重制约了材料分布优化的寻优空间,无法满足质量敏感领域极致轻量化设计的迫切需求.而目前关于变截面点阵结构设计的研究大都基于实验的“试错式”经验调配模式,其相应的理论设计方法尚不完善.文章基于灰狼智能优化算法,提出了一种高效的变截面点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数构建变截面点阵的显式几何描述模型,以实现变截面点阵几何形状的自由描述;其次,采用能量均匀化方法预测变截面点阵单胞的宏观等效力学属性,建立宏观点阵结构与变截面单胞构型间的内在联系;然后,以变截面点阵的几何描述参数为设计变量,材料用量为约束条件,最小化柔度为目标函数,构建变截面点阵优化数学模型,并采用灰狼优化算法实现上述模型的高效求解,得到性能优化的变截面点阵结构;最后,通过二维和三维数值算例和仿真分析共同验证了所提方法的正确性和有效性,并与相同条件下等截面点阵结构的承载能力进行了比较.结果表明:优化后变截面点阵结构的柔度相较于相同条件下的等截面点阵结构可降低30%以上,具有更优异的承载能力.研究结果丰富了变截面点阵结构设计理论,在高端装备极致轻量化设计领域具有重要应用前景.

摘要：随着增材制造技术的迅速发展,点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注,但其单胞分布设计大多基于均布式假设,导致其承载能力相对较差.基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法.首先,基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型,引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成;其次,构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型,建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系;然后,以点阵结构刚度最大为优化目标,结构材料用量和力学控制方程为约束条件,构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型,并采用OC算法进行数值求解.算例结果表明,所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计,充分提高了点阵结构的承载性能,同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性.最后,开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析,仿真结果表明,与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比,梯度分层点阵结构的承载能力明显提高.研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.