基于拓扑-密度双梯度TPMS晶格结构的冲击吸能设计与研究

《Materials》：Design- and Voxel-Based Analysis of a Topology–Density Dual-Gradient TPMS Absorber for Impact-Load Mitigation

　　

摘要

三周期极小曲面（TPMS）晶格结构是有前景的轻质吸能结构，但高保真有限元建模成本高昂，且均匀设计在致密化过程中易产生高应力峰值。本研究提出了一种基于体素的有限元框架以及一种拓扑–密度双梯度（TDDG）TPMS吸能结构。收敛性研究表明，选取0.33 mm体素尺寸时，相对密度误差为1.11%，力学响应收敛。与收敛的C3D4四面体模型相比，C3D8R体素模型将计算时间从4222秒缩短至497秒。在与准静态压缩试验验证后，筛选了相对密度为20%、30%和40%的P、G和IWP拓扑构型。将IWP20和P40分别分配至受冲击面和支撑面区域，并通过归一化Sigmoid插值进行过渡连接。在125 J冲击载荷下，仿真结果表明，TDDG-IWP20-P40吸能结构相较U-P30和DG-P20-P40，峰值名义冲击应力分别降低了32.2%和24.6%，同时保持了相当的比吸能（SEA）性能。在62.5 J和160 J冲击能量下的附加仿真进一步验证了其峰值应力低于U-P30，且相较于仅密度梯度方案的优势在更高冲击能量下更为显著。渐进式压溃和延迟致密化特性表明，TDDG TPMS吸能结构在冲击载荷减振及未来航空航天缓冲装置设计中具有广阔的应用潜力。