多级点阵桁架结构力学特性与制备工艺研究

Hierarchical lattice truss structures(HLTs) are predicted to have ultra-light weight and superior mechanical properties，including excellent anti-buckling ability and vibration isolation capability. However, Hierarchical characteristic of HLTs also brings great challenging in structure design and manufacture process. HLTs show structural redundancy and complex mechanical properties. And HLTs are hard to manufacture due to their intensive bar system. To overcome these challenges, this research will focus on the mechanical properties and manufacture process of HLTs-column and HLTs-beam, and the research will be carried out from the following four aspects: 1) Configuration of hierarchical lattice truss structure design, and develop continuum medium equivalent methods for analysis of HLTs; 2) Investigation of multi-mode failure theory for HLTs; 3) Study the vibration characteristics of HLTs; 4) Explore advanced manufacture process of HLTs. This research work involves design, analysis and manufacture of HLTs. The research findings will help designers understand the static and dynamic characteristics of HLTs, and the methodology developed in this research will provide guidance to optimization design of HLTs. In addition, the study on the manufacture of HLTs will be helpful in production and application of HLTs.

多级点阵桁架结构是一类轻质结构，具有优越的抗失稳能力和隔振性能，应用前景广阔。但该结构多层级特性为其设计和制备带来挑战。结构冗余程度高，力学传载机制复杂。同时，由于结构杆系密集，工艺操作空间小，制造工艺复杂。为克服以上技术难点，本项目以多级点阵桁架柱结构和梁结构为研究对象，重点研究：1）多级点阵桁架基本构型设计与连续介质等效力学分析理论；2）多级点阵桁架结构多模式破坏理论；3）多级点阵桁架结构振动特性；4）多级点阵桁架结构制备工艺。项目研究内容涵盖了结构设计-分析-制备全过程，相关理论研究成果将有助于揭示该结构静、动力学特性，能为结构的优化设计提供指导，并促进该结构的工程化生产与应用。

增加点阵桁架结构层级，形成多级点阵桁架结构，能够进一步提升结构承载效率，具有广阔应用前景。本研究根据不同应用需求设计多型点阵桁架结构，并开展了点阵桁架结构静力学和动力学性能研究。.（1）以Isotruss结构为基础，设计三角形截面多级点阵桁架结构。根据多级点阵桁架结构周期分布特性，对复杂节点接头进行等效处理，建立参数化建模方法并程序化，实现多级点阵桁架结构自动化的参数驱动建模和分析，大幅提高结构参数分析效率，分析发现多级点阵桁架结构随着结构参数变化，呈现多种轴压屈曲失效模式：整体屈曲、弦杆屈曲以及纵向杆局部屈曲。针对该三类典型的轴压屈曲模式，建立屈曲临界载荷理论预测方法，分析结构屈曲临界载荷随结构参数影响规律，揭示影响结构失效模式的关键参数。此外通过将不同失效模式理论预测公式两两相等，确定不同失效模式的参数边界，绘制失效图，为结构的优化设计提供理论支撑。同时，也分别研究了多级点阵桁架结构在弯曲和扭转载荷作用下的多模式屈曲失效力学特性，分析了屈曲临界载荷随结构参数变化的影响规律，为该结构在复杂载荷工况下的优化设计提供理论支撑。.（2）采用参数化建模方法，开展多级点阵桁架结构固有频率的参数研究，确定点阵桁架结构典型振动模态，分析发现随着一级结构螺旋角的增大，前三阶固有频率逐渐增大。此外，针对船舶筏架结构减重和减振降噪需求，设计了承载/减振功能一体化的点阵浮筏结构。经仿真分析表明，较金属桁架结构，复合材料桁架加速度振级落差可以提升6.94dB。为进一步提升隔振效果，在复合材料点阵管内部填充装有不同比例阻尼沙的周期振子，实现增加结构阻尼的目的。试验结果表明，当阻尼沙在周期振子中的填充率为75%时，其阻尼效果最佳，阻尼比达0.0229，且复合材料点阵桁架浮筏各激励点至响应点的加速度振级落差均大幅提升。