超材料零件仿生微结构建模及宏观机械性能调配机制研究

Metamaterial part has unique macro mechanical properties which can be designed, so it is pushing forward the design and manufacturing technology development for the function-integrated part. It will be widely used in aerospace, medical and other fields. This project focuses on the 3D modeling theory and method of bionic microstructure, explores the intrinsic relation between the microstructure and macro mechanical properties and builds the control theory and method. The main contents include four parts as follows:.(1)The minimal surface microstructure and multilevel microstructure from the enamel are built. A large number of microstructures are synthesized using the implicit function set theory..(2)Two density distribution models are generated by low discrepancy sequence and random distribution from cancellous bone. A general method for microstructural modeling system is realized based on the voronoi frame..(3)The equivalent model of microstructure system is built. Topology optimization of stiffness tensor and scale effect model for microstructure elements is studied. Microstructure system is inversely constructed based on macro mechanical properties..(4) Helicopter’s blade is selected as the research and application object. The blade microstructure modeling, finite element stimulation and physical experiment are implemented in order to optimize the blade’s mechanical properties.

超材料零件具有宏观机械性能的可设计性，正推动新一代功能结构一体化零件设计制造技术的发展，在航空航天、医疗等领域应用广泛。本课题拟参考自然界功能性生物结构，以仿生微结构建模理论和实现方法这一个共性问题为研究对象，深入探究微结构系统与宏观机械性能的本征关系，建立宏观机械性能调配的基本理论和实现方法，主要内容包含：（1）研究极小曲面微单元模型和天然牙牙釉质仿生多级微结构的结构化建模及隐函数集合论的合成方法。（2）研究低差异序列仿生微结构密度分布模型和天然松质骨各向异性的仿生微结构密度分布模型的生成机制，以Voronoi体域剖分为骨架实现微结构系统建模的一般方法。（3）探究微结构系统宏观力学等效模型、微结构单元的刚度张量拓扑优化、微结构单元机械性能的尺度效应模型和性能驱动的微结构系统逆向求解。（4）以直升机桨叶超材料零件为对象，进行仿生微结构建模、仿真、性能实验验证和优化。

超材料零件融合了微结构组分具备了机械性能的可设计性，为航空航天、生物医疗、汽车、模具等结构和性能优化提供了新的途径。本课题围绕超材料零件仿生结构化/非结构化建模和机械性能调控开展研究，主要内容包括：（1）提出了一种基于骨架线模型的点阵模型生成策略和基于向量内积的距离场结构化仿生微结构构建算法，通过隐式距离函数的方式表达点阵模型的曲面边界，采用多线程技术实现基于距离函数高效仿生微结构建模。（2）分析了鲎壳和骨结构的仿生微结构特征，提出了一种基于Voronoi图的仿生微结构仿生建模方法，基于种子点集、梯度系数及孔梁厚度参数控制，实现了仿生非结构微孔结构建模。（3）分析了11种点阵单元的拓扑结构与力学性能的关系，提出了统一的场建模理论，建立了微结构材料几何建模黑盒系统；研发了基于均匀化理论的晶格材料等效性能计算方法，建立了微结构材料等效性能黑盒系统，将宏观尺度的拓扑优化方法引入到零部件介观尺度的晶格材料分布优化设计，并结合介观尺度晶格材料等效性能，提出了一种基于渐进均匀化方法的多尺度晶格材料拓扑优化方法，实现超材料零件宏观机械性能的调控模型建立。（4）以变体机翼为对象开展仿生微结构的应用研究，内部填充了由不同函数驱动生成的变刚度点阵，通过有限元仿真来模拟微结构点阵型机翼的翼型扭曲变形，仿真结果表明变刚度点阵实现了轻质化，且扭转刚度满足较大机翼变形效果；以航空齿轮零件为对象优化辐板结构，依据梁模型的振动仿真结果对微结构强度不足的节点进行增强优化，实验结果表明，相比质量相同的点阵结构，调控优化后功能点阵结构的振幅降低了20.9%，承载效率提高了近30%。（5）自主研发了超材料微结构设计软件平台Element Design Tool V1.0，实现了8种微结构类型、10万规模级微结构的超材料零件快速建模和机械性能优化，为航空航天、武器装备中超材料零件结构设计与优化提供了重要的设计方法和工具。