拓扑优化晶格结构的弹性常数、各向同性及能量吸收能力研究

本研究针对多载荷条件下轻量化结构性能需求，通过拓扑优化(TO)技术设计晶格结构，系统分析了胞元拓扑和相对密度对力学性能的影响。来自未知机构的研究人员成功开发出具有高弹性模量（如FC–N型结构达1079.1?MPa，接近Hashin–Shtrikman上限）和近乎各向同性（Zener指数≈1）的优化结构，为航空航天、生物医学支架等领域提供了兼具轻量化与能量吸收特性的创新材料解决方案。

　　

通过增材制造技术实现的架构化多孔结构因其卓越力学性能引发广泛关注。本研究采用拓扑优化（Topology Optimization, TO）方法，针对多种载荷条件设计并优化晶格结构，旨在开发具有优异机械性能与能量吸收能力的稳健结构。通过数值分析与实验验证，系统研究了胞元拓扑形态和相对密度对力学特性的影响。成功利用TO技术设计出可最大化不同弹性模量与各向同性程度的晶格结构，例如相对密度为0.45的FC–N型晶格结构表现出1079.1?MPa的杨氏模量，逼近Hashin–Shtrikman理论上限。多个TO晶格结构（如相对密度0.15的S型与N型FC结构）展现出高度各向同性行为，其Zener各向异性指数接近1。这些结构在航空航天轻量化部件、需各向同性力学特性的生物医学支架或卫星组件等领域具有应用潜力。本研究建立了面向特定应用的晶格材料设计方法，通过计算优化与实用化制造的结合，为多元化工程需求提供解决方案。