在过去三十年中,航空和船舶工业的快速发展,对材料和结构性能的要求也越来越高。为满足结构轻质化的要求,夹芯结构被广泛的应用在航空航天领域,如蜂窝夹芯板作为承载平台应用在小卫星结构上。对于传统的夹芯结构,如蜂窝板和泡沫板,其内部空间是封闭,若要实现结构-功能一体化的需求,可对结构开孔预埋,但是这种方式破坏了结构的完整性,降低了结构的力学性能。在21世纪初期,点阵夹芯结构的概念被提出来,不仅进一步降低了结构的质量,还提高了结构的强度和刚度。西方材料学界预测这类结构将在航空航天等领域有着更广泛的应用。相比于传统的夹芯结构,它内部的开放空间更便于吸音,散热,电磁屏蔽,铺设控制系统或燃料的空间利用等等。针对点阵结构的相关研究表明,点阵结构对能力的吸收性也更好。可以看出,为了实现飞行器减重增加有效载荷这一目标,发展先进轻质复合材料结构,实现结构轻量化和多功能一体化是当下迫切需要解决的问题。在此基础上提出的轻质复合材料点阵结构是当前被认为最有前景的新一代先进超清夹芯结构。为了进一步提高夹芯结构的承载效率,国外学者将梯度的概念引入蜂窝夹心结构中,通过对蜂窝结构几何参数的合理的梯度设计,提高了蜂窝夹芯结构弯曲,冲击及振动的力学性能。而后,梯度设计的概念被引入点阵结构中,目前对于点阵结构力学行为的研究较少,大部分集中在实验研究及制造方式的探索,而实验研究会耗费大量的人力及物力,导致梯度点阵结构的研究耗时长。关于点阵结构的梯度设计并不系统,对其在不同载荷下的力学性能的研究也不够全面,仿真研究的方法也较少采用。现有的文献表明,梯度设计同样提升了点阵结构的力学性能。本文以点阵结构夹芯杆宽度和倾角为设计对象,对点阵结构进行了梯度设计,采用数值仿真的方法,对梯度点阵结构在平压,侧压,剪切和三点弯载荷下的力学性能进行了分析。为后续梯度点阵的设计研究提供了参考。结果表明,梯度设计对点阵结构的强度和刚度都影响显著。对于三点弯和侧压载荷,合理的梯度设计可以提高点阵结构的力学性能。对于平压载荷,梯度点阵结构的强度可能会低于均匀点阵结构。第1章在对国内外点阵结构文献调研的基础上,总结分析了点阵结构力学性能的优越性,得出了梯度设计的必要性。复合材料点阵结构的提出和发展源自以下三方面的启示:(1)自然界中动植物独特的微结构构造和优异的力学性能;(2)金属点阵结构优越的力学性能;(3)工程中结构轻量化和多功能化的迫切要求。夹芯结构具有如下形式的夹芯:晶核,各种形状的蜂窝芯,高尔夫球芯,各种形状的桁架芯。讨论了点阵夹芯的优缺点。来自欧洲,美国,韩国和中国的学者对各类夹芯结构进行广泛的实验,仿真及理论研究。研究结果表明,点阵结构实现了集承载与热控,隐身,吸能,储能,阻尼于一体。在分析了现有点阵结构力学性能的基础上,本文对点阵结构进行合理的梯度设计,并采用数值仿真的方式对结构的力学性能进行了全面系统的研究。第2章使用一般理论方法,对点阵结构进行等效,将结构等效成简化模型来研究复合材料点阵结构的力学性能。该理论的优点是能够在任何方向上描述材料的力学特性,结果表明,结构的力学性能主要取决于夹芯结构的几何参数。在该理论模型中,选取单个点阵单元为理论分析对象,通过使用张量计算来描述单个单元的力学性质。第3章以点阵结构夹芯杆的宽度和倾角为设计对象,对点阵结构进行了梯度设计,采用壳单元建立了梯度点阵结构的有限元计算模型。本章以均匀点阵结构为例,详细说明了点阵结构有限元模型的建立方法及步骤。选取碳纤维树脂基复合材料对有限元结构进行赋值。分别沿点阵结构的横向和纵向对夹芯杆倾角进行梯度设计,共计15个梯度点阵结构。由于大量研究模型的几何参数和梯度设计各不相同,本章对梯度点阵结构进行标号以便区分,提出了基于夹芯杆倾斜角度的标记方法。这些标记方法描述了模型的内部参数,给出了所有面板共有的参数特征,并指出了可变参数以及它们遵守的规律。根据点阵结构的梯度设计参数,这些梯度点阵结构被分为四种类型。其中包括以下类别:夹芯杆倾角沿点阵结构横向梯度变化,夹芯杆倾角沿点阵结构纵向梯度变化,夹芯杆宽度梯度变化。第4章基于碳纤维复合材料的力学性能,对不同梯度点阵结构在平压载荷,侧压载荷,剪切载荷和三点弯载荷下的力学性能进行了数值仿真分析。通过与均匀点阵结构的对比分析,梯度设计可以显著的影响点阵结构的承载力,失效区域和失效模式。数值仿真结果表明,在三点弯及侧压载荷下,夹芯杆倾角设计对结构的承载能力影响显著,且梯度点阵的强度要由于均匀点阵。梯度设计会影响三点弯曲载荷下点阵结构的失效模式,且失效常常发生在支撑点附近。在平压载荷下,梯度设计对点阵结构强度的改善作用并不明显,其强度与均匀点阵结构的强度相同。这主要是因为点阵结构的夹芯杆在平压载荷的作用下同时承担负载,而失效往往发生在最薄弱的夹芯杆上,其主要失效模式为夹心杆屈曲。本章中的梯度设计没有改变最薄弱夹芯杆的几何参数,因此其强度与均匀点阵一致。梯度设计会明显影响结构的刚度。本文以点阵夹芯杆的倾角和宽度为对象,设计了一系列梯度点阵结构,采用数值仿真的方法对点阵结构在四种载荷下的强度和刚度进行了研究。根据研究结果,分别得出了点阵结构在平压,侧压,剪切和三点弯载荷下的最优梯度设计,为后续梯度点阵结构的研究提供了参考。本文对梯度点阵结构的设计及力学研究较为全面具体,对梯度设计对点阵结构的强度和刚度的影响进行了详细的剖析,同时通过与均匀点阵结构的对比分析,明确了梯度点阵结构在不同载荷下的优劣势。确定了在哪些情况下梯度设计会劣化或不影响结构的力学性能,确切地确定梯度点阵结构的几何参数的变化对失效模式及失效区域的影响。本文对梯度点阵的设计及力学性能的改进提供了有意义的参考。这些结果可以用于改进现有的点阵结构,以便能用于航空航天等领域。