论文部分内容阅读
桁架类点阵结构作为一种由规则单元重复排列构成的新型轻质高强多功能多孔结构,具有超轻高强、能量吸收和传热渗透等特殊性能,在航空航天、石油化工、机械、医疗等行业具有广泛应用前景。但其组成单胞的结点处由于支柱的直接相交而存在结构的突变,产生了应力集中效应,极大的削弱了结构的力学性能。因此,本文以BCC(Body Centred Cubic)这种典型桁架类点阵结构为研究对象,以改善BCC点阵结构失效破坏模式进而提高结构力学性能为研究目的,提出了一种新型的变密度点阵结构GBCC(Graded Body-Centred Cubic),并通过理论分析、有限元仿真和实验对具有不同结构参数的点阵结构进行对比分析,以验证本变密度设计方法的正确性,主要研究有:⑴建立了结合延性断裂模型及唯象本构模型的有限元通用仿真方法,对具有一系列不同结构参数的BCC点阵结构进行了准静态单轴压缩有限元仿真分析,仿真表明,BCC点阵单胞结点处的尖角结构是结点产生应力集中效应的主要诱因,最终导致受载单胞支柱完全从结点处断裂,另外,破坏单胞的分布规律与单胞的结构参数存在对应关系。⑵针对BCC点阵单胞结点存在的应力集中效应,对BCC单胞支柱进行了变密度设计,以增大单胞结点处的夹角,从而获得了一种新型的GBCC变密度点阵结构。利用经典梁理论和能量守恒定律,得到了GBCC结构相对密度的理论预测模型,及在一定应力作用下的理论受力模型。⑶确定了BCC及GBCC的结构参数并进行制备,对GBCC及BCC样件进行了准静态单轴压缩实验和有限元仿真分析,实验结果表明,对于具有相同相对密度的每组样件,GBCC点阵样件相较于BCC样件,初始刚度分别提高了41.95%、38.20%、48.04%,塑性破坏强度分别提高了42.25%、34.12%、41.46%。实验和有限元仿真结果不仅表明GBCC结构具有更好的力学性能及吸能特性,还表明随着单胞结点处夹角的增加,点阵结构结点位置的应力集中效应和力学性能均得到显著改善,从而验证了本针对点阵结构结点位置应力集中效应而提出的变密度设计方法的正确性,可为轻质变密度金属点阵结构的设计和研究提供相关指导。