吸能梯度结构宏介观跨尺度拓扑优化方法及其在船-闸防撞中的应用研究

It is critical for the crash energy absorbing structure to protect the safety of personnel and equipment. Integrated design of macrostructure and mesoscopic unit cell is the key to achieving efficient energy absorption and lightweight structure. But most existing design methods separate the mechanical relationship between macroscopic structure and porous cell, and also ignore the energy gradient change attribute during the collision process. Therefore, the optimal microstructure of energy-absorbing with negative Poisson’s ratio is regarded as the porous cell, based on the concurrent design of structure and material apprach, then a macro-mesoscopic multi-scale integrated topology optimization method for functionally gradient structures of crash energy absorbing is proposed. On the macroscopic scale, structural regional partition optimization method with gradation in energy-absorbing is established based on the idea of functionally gradient and clustering analysis. On the mesoscopic scale, the universal mechanical model of unit cell with negative Poisson’s ratio is formulated, and the energy absorption is used to characterize the parameters of the structures obtained, the mechanical equivalent method of porous cell with eliminated length scale effect and a new density-stiffness interpolation model is developed. The detailed process of this method is proposed and the optimal design and analysis of the properties of ship-lock gate crash energy absorption structure under multiple loading cases are conducted. This project will reveal the mapping relationship between the gradient layout of material and the structural strain energy, and a macro-mesoscopic multi-scale integrated topology optimization method is constructed to provide a scientific optimization method for the design of lightweight and efficient energy-absorbing structure.

碰撞吸能结构对保护人员及设备安全至关重要，集成宏观结构和元胞构型的设计是达到吸能高效化和结构轻量化的关键，而现有的设计方法割裂了宏观结构与元胞之间的力学关系，也忽略了碰撞过程中能量吸收梯度变化属性。本项目以吸能效果更优的负泊松比结构为元胞，基于材料结构一体化设计方法，提出碰撞吸能梯度结构的宏介观跨尺度拓扑优化方法。在宏观尺度，基于功能梯度思想及聚类分析，建立具有吸能梯度特性的结构宏观区域划分优化方法；在介观尺度，建立普适性的负泊松比元胞力学模型，得出结构吸能关于负泊松比参数的表征，发展消除尺度效应的多孔元胞力学性能宏观等效方法及密度-刚度插值模型，构建吸能梯度下介观元胞拓扑优化模型；提出本项目方法详细流程，进行多工况下船-闸防撞结构优化设计及性能研究。本项目将揭示材料梯度布局与结构应变能的映射关系，构建集成宏观结构与介观元胞的跨尺度拓扑优化模型，为轻量化的高效吸能结构设计提供科学优化方法。

碰撞吸能结构对保护人员及设备安全至关重要，集成宏观结构和元胞构型的设计是达到吸能高效化和结构轻量化的关键。本项目以吸能效果优良的负泊松比和空心多孔结构为元胞，基于材料结构一体化设计方法，提出碰撞吸能梯度结构的宏介观跨尺度拓扑优化方法。首先，建立了细观结构梯度分布与宏观结构力学性能的映射关系，提出逐域和逐点的细观结构梯度功能区域划分方法。其次，构建了负泊松比细观结构线性等效计算表达式，设计了多种类型的负泊松比细观结构拓扑构型，研究了多材料负泊松比细观结构拓扑优化方法，研究了在低速冲击载荷下的吸能特性和应力-应变关系。第三，提出了梯度结构宏细观跨尺度拓扑优化方法，通过构造负泊松比系数和刚度多目标拓扑优化模型，实现了兼具吸能和承载特性的梯度结构设计。第四，提出吸能特性优良的极小曲面空心多孔结构，突破了各向同性多孔结构的优化设计与性能表征技术，解决了载荷方向存在不确定性的碰撞吸能问题。最后，开发了细观结构设计的计算机程序，对所设计的船-闸防撞结构单元样件进行增材制造成型，通过物理压缩实验，得到了不同多孔结构的应力/应变曲线和吸能曲线。通过研究可知，体积分数大且负泊松效应小的多孔结构刚度较大，受压缩时抗形变能力较强，容易出现峰值应力，内缩效应较小，吸能速率整体较缓慢；体积分数小且负泊松效应大的多孔结构刚度较小，受到压缩时结构内缩效应较大，吸能速率整体较快。此外，空心多孔结构具有比普通实心多孔结构更高的等效体积模量，在静态压缩载荷下承载性能更优，在相同应变范围内吸收的总能量更多。项目揭示了材料梯度布局与结构吸能特性的映射关系，构建集成宏观结构与介观元胞的跨尺度拓扑优化模型，为轻量化的高效吸能结构设计提供了科学指导。