基于拓扑优化的无竖杆体面心立方点阵结构设计与试验研究

来源：机械工程学报杂志2024年第23期北京时间：

作者：陈建超, 孙志广, 刘博玮, 丁明超, 王加春, 郭保苏

单位：1. 燕山大学机械工程学院 秦皇岛 066004;2. 河北省重型智能制造装备技术创新中心 秦皇岛 066004

摘要：现有点阵结构设计方法较少考虑晶胞结构实际受力工况，难以发挥出点阵结构的最佳性能。针对该问题提出基于拓扑优化的点阵结构设计方法，建立了适用于不同工况背景的优化模型，得到基于拓扑优化的多载荷、多约束优化列式。基于该列式提出了适应受力条件的点阵晶胞结构设计方法，构建了基于压缩工况条件下的新型无竖杆体面心立方点阵(Non-vertical struts body and face-centered cubic，NVBFCC)结构，建立了NVBFCC相对密度理论模型和等效力学模型，研究了晶胞的梁、杆尺寸对晶胞体积分数和结构强度的影响规律。完成了该点阵结构的准静态压缩试验和有限元力学仿真分析，结果验证了相对密度理论模型和等效力学模型的准确性，给出了梁、杆最优尺寸确定原则，实验表明较传统体面心立方晶胞结构，NVBFCC抗压强度和等效弹性模量分别高出136%、100%，显示所提出方法生成的点阵结构有着更优异的性能。

关键词：点阵结构,力学性能,拓扑优化,增材制造,轻量化设计；

基金资助：河北省自然科学基金(E2021203185)和河北省高等学校科学研究青年拔尖人才(BJ2021045)资助项目。