胞元建模四大类型



 胞元结构是增材制造的一个重要的研究领域,正如《3D打印胞元结构建模的六大挑战》所提到的,就像建筑用的空心砖,胞元的应用减少了材料的使用,有效帮助实现轻量化,而与此同时,如何保证仍然满足力学性能的要求,则成为建模界“才下眉头、却上心头”萦绕不散的要紧事。

本期,我们特分享常见的几种结构,以及这些结构的应用特点。

四大常见结构

蜂窝

蜂窝结构是蜂巢的基本结构,是由一个个正六角形单房、房口全朝下或朝向一边、背对背对称排列组合而成的一种结构。这种结构有着优秀的几何力学性能,因此在材料学科具有广泛应用。

蜜蜂的蜂窝构造非常精巧、适用而且节省材料。蜂房由无数个大小相同的房孔组成,房孔都是正六角形,每个房孔都被其它房孔包围,两个房孔之间只隔着一堵蜡制的墙。令人惊讶的是,房孔的底既不是平的,也不是圆的,而是尖的。这个底是由三个完全相同的菱形组成。有人测量过菱形的角度,两个钝角都是109°而两个锐角都是70°。令人叫绝的是,世界上所有蜜蜂的蜂窝都是按照这个统一的角度和模式建造的。

蜂房的结构引起了科学家们的极大兴趣。经过对蜂房的深入研究,科学家们惊奇地发现,相邻的房孔共用一堵墙和一个孔底,非常节省建筑材料;房孔是正六边形,蜜蜂的身体基本上是圆柱形,蜂在房孔内既不会有多余的空间又不感到拥挤。 蜂窝的结构给航天器设计师们很大启示,他们在研制时,采用了蜂窝结构:先用金属制造成蜂窝,然后再用两块金属板把它夹起来就成了蜂窝结构。这种蜂窝结构强度很高,重量又很轻,还有益于隔音和隔热。因此,现在的航天飞机、人造卫星、宇宙飞船在内部大量采用蜂窝结构,卫星的外壳也几乎全部是蜂窝结构。因此,这些航天器又统称为“蜂窝式航天器”。

图:宝马i3碰撞结构设计部分

开孔泡沫

所含泡孔绝大多数都是互相连通的泡沫塑料。开孔结构的获得仅当满足下列条件:(1)每个球形或多边形泡孔必须至少有两个孔或两个破坏面;(2)大多数泡孔棱必须为至少3个结构单元所共有。

与闭孔泡沫相比较,开孔泡沫对水和湿气有更高的吸收能力,对气体和蒸汽有更高的渗透性,对热或电有更低的绝缘性,还有更好的吸收和阻尼声音的能力。

对设计的影响方面,与蜂窝不同的是,开孔泡沫的设计更适合用于刺激环境下(应力、流动、热),这些是不可预测的。作为吸收能量的“利器”,开孔泡沫适合用于复杂结构。开孔泡沫材料之间的互联互通,也使得流体流过该结构更顺畅。

图:金属泡沫材料的扫描电镜图像

图:开孔泡沫单元在压缩下的有限元模拟,考虑了弯曲的主要变形模式

闭孔泡沫

闭孔泡沫的泡孔是由泡壁和泡棱围城的闭合结构,结构完整,泡孔之间相互鼓励,互不相通。但在实际中,开孔结构和闭孔结构可能同时存在泡沫中出现,只是出现的几率不同而已。因此,根据泡沫中开孔结构和闭孔结构所占比率,将闭孔结构达90%以上的泡沫定义为闭孔泡沫;反之则定义为开孔泡沫。

泡孔结构对泡沫塑料的性能有重大的影响,一般情况下,闭孔泡沫塑料的力学强度较高,绝热性和冲缓性都较优,吸水性小,而开孔泡沫塑料较柔软,更富弹性,隔音性良好。闭孔泡沫塑料除具有一般泡沫塑料特性外,还具有较低的导热性和吸水性。

闭孔泡沫材料一般用作保温、绝缘、隔音、包装、漂浮、减震以及结构材料等用途。

晶格

晶格的外观非常类似于开孔泡沫,但不同的是,晶格成员的变形是拉伸为主,而不是弯曲。

晶格结构的材料特点是重量轻、高强度比和高特定刚性。并且带来各种热力学特征,晶格结构的超轻型结构适合用在抗冲击/爆炸系统、或者充当散热介质、声振、微波吸收结构和驱动系统中。

波音公司就将晶格结构的超轻3D打印材料用于飞机墙面和地板等非机械部件。这使得飞机重量大大减轻,提高飞机的燃油效率。感谢晶格结构的独特特性以及低体积容量,晶格结构与功能部件的设计结合已被证明是增材制造发挥潜力的优势领域。

Thales Alenia Space还打印了含晶格的金属结构重量为1.7公斤,体积为134×28×500毫米。用于欧洲最大的卫星制造商Thales Alenia Space的卫星上。

参考资料推荐:

[1] Ashby, “Materials Selection in Mechanical Design,” Fourth Edition

[2] Gibson & Ashby, “Cellular Solids: Structure & Properties,” Second Edition

[3] Gibson, Ashby & Harley, “Cellular Materials in Nature & Medicine,” First Edition

[4] Ashby, Evans, Fleck, Gibson, Hutchinson, Wadley, “Metal Foams: A Design Guide,” First Edition

[5] Deshpande, Ashby, Fleck, “Foam Topology Bending versus Stretching Dominated Architectures,” Acta Materialia 49

[6] Deshpande, Fleck, Ashby, “Effective properties of the octet-truss lattice material,” Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 49

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