梯度材料结构是自然界常见的生物材料结构形式,研究学者们通过模仿梯度材料结构分布形式设计了仿生多孔结构,由于仿生多孔结构具有轻质、高强、降噪、吸能以及生物相容性等优秀的性能,被广泛应用于航空航天、建筑设计、交通运输和生物医学等领域。目前,仿生梯度多孔结构存在着建模过程复杂和建模效率低等问题,如何实现梯度多孔结构快速设计以及掌握梯度结构优化分布规律,是仿生梯度多孔结构设计与应用面临的重要课题。隐式曲面(Triply periodic minimal surface,TPMS)多孔结构具有零平均曲率和高比表面积,且可以通过隐式函数驱动参数化快速设计,是较为理想的多孔结构。本课题通过模仿梯度材料的梯度孔隙率分布、梯度取向分布和梯度材料分布三种材料结构形式,进行隐式曲面梯度多孔结构优化设计,结合激光选区熔化(Selective Laser melting,SLM)成形技术、有限元仿真分析、拓扑优化、MATLAB参数化编程设计和力学测试,对隐式曲面梯度多孔结构开展系统性的研究,主要研究内容与成果如下:(1)针对典型隐式曲面函数生成Gyroid、Diamond、Primitive和IWP四种隐式曲面多孔结构的高孔隙率夹断不连续行为,结合隐式函数优化与有限元分析,提出隐式曲面多孔结构优化设计准则。并对优化设计的隐式曲面多孔结构的压缩性能和弯曲性能进行研究,拟合四种隐式曲面多孔结构对应的Gibson-Ashby力学修正预测模型,发现多孔结构的压缩弹性模量与压缩屈服强度均随着结构的孔隙下降而上升。通过对比分析发现,当孔隙率=85%时,四种隐式曲面多孔结构的弹性模量大小排序:Primitive?Diamond?IWP?Gyroid,有效能量吸收大小排序:Primitive?Diamond?Gyroid?IWP。该研究结果为隐式曲面单元体结构的选型设计问题提供参考。(2)基于夹断优化准则,利用线性方程与圆锥面方程驱动隐式曲面梯度多孔结构的MATLAB参数化编程设计,获得具有连续性梯度变化的Primitive和IWP结构,并研究了隐式曲面梯度多孔结构的压缩与弯曲力学行为。研究发现Primitive和IWP的线性梯度结构的压缩过程均具有逐层压溃行为,对应其压缩曲线分别表现为阶梯上升与多应力峰值上升特征;轴心梯度多孔结构的压缩行为则与均匀多孔结构相似。通过模仿竹子梯度结构分布规律,进行三明治多孔弯曲结构的仿生设计,验证了从低孔隙率高强度的一侧弯曲加载时可提升结构整体的弯曲弹性模量,但是降低了梯度结构的弯曲挠度;通过三明治轴心梯度多孔结构设计,可大幅度地提升多孔结构的弯曲力学性能。(3)基于计算机图形学,利用四元数计算对隐式曲面三维空间结构进行旋转变换操作,分别绕[100]、[110]和[111]三个晶向旋转不同角度,研究四种隐式曲面多孔结构的各向异性行为,并建立了相对弹性模量与旋转角度关系极图。模仿生物材料中的梯度取向结构,提出一种隐式曲面梯度取向结构设计方法,其压缩力学行为呈现出应力峰值梯度上升或者应力平台梯度上升的趋势。利用过滤器压降测试与流体仿真分析,研究圆盘形和圆锥形隐式曲面多孔过滤器的流体力学行为,发现Primitive结构具有最佳的压降性能。(4)结合有限元分析、拓扑优化方法与MATLAB参数化编程设计,提出基于应力云、拓扑优化密度云和拓扑优化+应力云复合型三种类型的梯度多孔结构优化设计方法,可实现少支撑甚至无支撑的结构优化设计与打印;通过SLM成形和模拟仿真分析,验证了上述三种优化设计方法设计的梯度结构力学性能优于均匀多孔结构的力学性能。基于参数化编程设计方法,实现具有隐式曲面拓扑优化密度云梯度多孔结构的股骨柄植入体的快速设计与SLM成形,为梯度多孔植入体的优化设计提供解决方案。(5)利用SLM技术成形梯度材料多孔结构,研究梯度材料多孔结构的力学行为,分析梯度材料多孔结构的力学各向异性。实验结果证明了从高强脆性材料一侧进行弯曲加载时则可同时提高Cu Sn-18Ni300的弯曲结构强度与挠度。双金属材料多孔结构与四材料多孔结构的压缩行为具有相似性:当压缩方向平行于材料梯度方向时,结构变形方式为自上而下逐层压实;当压缩方向垂直于材料梯度方向时,压缩曲线特征呈现近周期性的锯齿波状,验证了可利用不同材料的力学特性组合改变零件的力学行为。