一种混合分层梁网络结构的设计方法

1.本发明涉及一种材料结构设计方法，具体涉及一种混合分层梁网络结构的设计方法。


背景技术：

2.随着汽车、军事、航空航天和其他领域的发展，对高强高韧、减震和吸能的需求越来越大。具有层次微观结构的材料由微观结构元素组成，这些微观结构元素具有自身的内部结构，形成相似结构特征以自相似的方式在多个尺度上复制的模式。这种微观结构在生物材料中无处不在。以胶原蛋白为例，它表现出从分子到微原纤维和纤维到分层纤维束的分层模块化组织。其他的例子包括骨骼的层次结构。分层模块化组织可以同时服务于多个甚至相互冲突的目标。除了更高的材料强度外，它还确保了比分离的胶原蛋白分子组装更强的韧性，并有助于有效地分配负载，从而提高结构的弹性。分层组织是一种手段，在最低的结构水平以减轻局部缺陷的影响和不可靠的成分。分层生物材料的结构缺陷实际上可能会改善其力学性能。分层微结构可以减轻由应力集中驱动的局部缺陷的灾难性传播，确保增强材料的损伤容忍度。为了在网络模型的框架内明确地说明线动量和角动量守恒，有必要求助于梁的网络模型连接节点并传递力和扭矩。
3.在实际应用中，在汽车行业、海洋行业、医疗行业领域同样证明了分级微观结构可以被视为实现损伤容限的一种方法，即减轻由应力集中所导致的结构非稳定破坏。通过材料的去除过程重新设计应力传递模式，即使在单相材料中也有可能实现缺陷容限。非分层结构通过成核和随后的临界裂纹扩展而失效，分层结构通过弥散损伤成核失效。虽然这些研究考虑了没有预先存在裂纹的结构的行为，但可以推测，即使存在大的宏观裂纹，相同类型的分层结构也可能有效地减轻裂纹尖端应力集中的影响。然而此种结构的应用上限受结构强度的影响最大，针对结构的抗拉强度及韧性不足的情况下，我们使用等级制度梁网络模型旨在探索分级组织如何影响失败前的损伤演化，并最终改变失效模式，因此我们仍然需要对现有的梁网络模型进行设计。


技术实现要素：

4.为弥补现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种混合分层梁网络结构的设计方法。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种混合分层梁网络结构的设计方法，包括如下步骤：
7.步骤一、设计一个基于二维梁网络模型：
8.步骤一一、建立相互连接梁单元的二维晶格模型，二维晶格模型为配位数是4的二维梁网络模型；
9.步骤一二、改变节点的配位数得到二维变配位数稀疏梁网络模型，其中：
10.所述二维变配位数稀疏梁网络模型的每个节点有三个自由度，包括两个平移自由
度和一个旋转自由度；
11.所述二维变配位数稀疏梁网络模型为二维配位数3-5稀疏梁网络模型或二维配位数2-6稀疏梁网络模型，在简单拉伸情况下节点配位数2-6的吸能效果更好些，节点配位数的选取应根据实际需求和相应的强度测试，以便确定更符合吸能及承载效果的结构；
12.步骤二、在二维变配位数稀疏梁网络模型中，根据梁的位置及承载情况，将梁单元划分为承载梁、交联梁和交叉梁，这些梁在其末端被连接在一起，连接处被称为节点，其中：
13.所述承载梁与交联梁的长度相同，均为l，交叉梁的长度被设置为具有抗轴、抗剪力和抗弯矩的能力；
14.所述梁单元截面为同心截面，材料为硬相材料和软相材料的结合材料；硬相材料可选择弹性模量较大的材料，如玻璃态聚合物；软相材料可选择弹性模量较小的材料，以便形成具有高模量对比的结构，如橡胶聚合物；软相材料通常包围在硬相材料之外；
15.步骤三、根据变配位数分层间隙分布构建方法在二维变配位数稀疏梁网络模型中安装横向连接器，从而划分为多个高级子模块，并将划分的高级子模块进行有序组装，形成多级分层有序稀疏梁网络模型，进而得到二维变配位数分层有序稀疏梁网络模型，具体步骤如下：
16.步骤三一、根据二维变配位数稀疏梁网络模型，按载荷方向平行切割再分割为初始四个高级模块，得到一级分层有序稀疏梁网络模型，将高级模块组成两组，平行于载荷方向的两个高级模块串联设置并通过横向连接器相连，垂直于载荷方向的两个高级模块通过间隙进行分割；
17.步骤三三、将四个高级模块中的每个高级模块再次分为四个高级模块，得到二级分层有序稀疏梁网络模型，将高级模块组成两组，平行于载荷方向的两个高级模块串联设置并通过横向连接器相连，垂直于载荷方向的两个高级模块通过间隙进行分割；
18.步骤三四、重复步骤三三，得到多级分层有序稀疏梁网络模型，进而得到二维变配位数分层有序稀疏梁网络模型；
19.所述二维变配位数分层有序稀疏梁网络模型为二维配位数3-5分层有序稀疏梁网络模型或二维配位数2-6分层有序稀疏梁网络模型；
20.所述横向连接器主要用于连接分割的模块，并考虑在部分易发生破坏的地方设置局部的材料增强以达到更高的工况需求；
21.步骤四、在保证强度的情况下，根据韧性最大化理论，生成二维变配位数混合分层梁网络模型，二维变配位数混合分层梁网络模型按照周期性自相似结构组装方法，通过层层分级组装形成多级自相似三维结构，其中：
22.所述二维变配位数混合分层梁网络模型为二维配位数3-5混合分层梁网络模型或而且配位数2-6混合分层梁网络模型；
23.所述二维变配位数混合分层梁网络模型的生成过程是通过离散间隙和重排各级高级模块得到的，离散间隙的方法可采用韦伯分布的分布方式，通过对离散间隙后的模型进行拉伸预载试验，根据应力应变关系曲线的情况及破坏行为按照引导性重排或随机按列和按行重排各高级模块，目的是实现韧性的最大化，裂纹与损伤破坏实现多级偏转传播，使得该模型可以在破坏过程吸收更多的能量；
24.所述梁单元缺失或失效的被设置为长度为l的间隙，间隙的分布情况应根据实际
需求和相应的强度测试，以便确定更符合吸能及承载效果的结构；
25.所述二维变配位数混合分层梁网络模型可作为整体结构的一级子结构，多级自相似三维结构可通过自相似原理构建得到；
26.所述梁单元可通过3d打印进行生成，并同时通过打印和粘结工艺完成不同层级结构的制作，最后制作成型二维确定性混合分层梁网络结构并通过组装形成多级自相似三维结构。
27.相比于现有技术，本发明具有如下优点：
28.1)在保持平均配位数4不变的情况下，系统地增加最大配位数可以显著提高韧性，同时强度也会提高到3～5倍。
29.2)分层结构的样品都不会因裂纹成核和扩展而失效。分层模块化结构被证明可以有效地抑制几乎不会跨越模块边界传播的损伤。有效地减轻了裂纹尖端应力集中，从而最终导致超临界裂纹扩展而导致破坏。
30.3)二维变配位数混合分层梁网络模型实质上是对大缺陷传播的强化和缓解。这种结构的生成充分发挥了材料的性能，也弥补了材料属性与结构之间因不协调所带来的不足。与非分层结构相比，其韧性可提高1.5倍乃至更多，吸能效果大概在2～6倍左右，使该结构能够承受更加复杂的环境从而获得广阔的应用前景。
附图说明
31.图1为本发明的二维配位数3-5混合分层梁网络模型的结构示意图。
32.图2为本发明的二维配位数2-6混合分层梁网络模型的结构示意图。
33.图3为本发明的二维配位数3-5分层有序稀疏梁网络模型构建示意图。
34.图4为本发明的二维配位数2-6分层有序稀疏梁网络模型构建示意图。
35.图中：1-二维配位数3-5二维混合分层梁网络模型、2-二维配位数2-6混合分层梁网络模型、3-承载梁、4-交联梁、5-交叉梁、6-节点、7-间隙、8-刚性杆、11-横向连接器、101-配位数3-5一级分层有序稀疏梁网络模型、102-配位数3-5二级分层有序稀疏梁网络模型、103-配位数3-5三级分层有序稀疏梁网络模型、201-配位数2-6一级分层有序稀疏梁网络模型、202-配位数2-6二级分层有序稀疏梁网络模型、203-配位数2-6三级分层有序稀疏梁网络模型。
具体实施方式
36.下面结合图1-3，对本发明的技术方案做进一步具体的说明。
37.图1和图2所示为二维变配位数混合分层梁网络模型的结构示意图，在二维配位数3-5混合分层梁网络模型1和二维配位数2-6混合分层梁网络模型2的两个相对边界，所有自由度通过两个刚性杆8固定，用于沿二维变配位数混合分层梁网络模型的两个立方轴之一施加轴向位移。周期性边界条件施加在荷载轴向方向。沿垂直轴方向的梁称为承载梁3，与水平方向的梁称为交联梁4，与垂直轴倾斜方向的梁称为交叉梁5，其中梁单元通过节点6相连。首先将包含预制间隙7的二维配位数3-5分层有序稀疏梁网络模型和二维配位数2-6分层有序稀疏梁网络模型随机按列重排，然后再随机重新排列得到行，来构建二维变配位数混合分层梁网络模型。早期断裂行为对较短或较长的链接的初始配置很敏感，并且可以波
动，但模型的最终破裂可以由主裂纹在有效介质中的扩展决定，其中连接键的早期断裂有效地耗散了存储的弹性能量，作为牺牲键，并有助于延迟主裂纹的扩展。对于二维变配位数混合分层梁网络模型的失效准则，梁的破坏取决于基于应力的准则。使用了最大变形能失效理论准则。对于具有平面应力加载条件的二维几何，轴向应力由梁端面的拉伸/压缩和弯曲分量组成，向梁端面外法线方向的力产生正(拉)应力贡献，相反方向的力产生压应力贡献。由于每根梁上的荷载仅通过端节点施加，且梁处于小变形的准静力平衡状态，轴向和剪切力形成耦合，从而导致恒定的轴向和剪切应力。弯矩沿梁呈线性变化，因此在一个端节点处最大。对于失效准则，我们假设梁的破坏始于最大拉应力的位置。最大轴向和剪切应力遵循如下关系：
[0038][0039][0040]
式中，max(σ
11
)、σ
12
为最大拉应力与剪应力，max(m)为最大弯矩，为拉力沿最大方向的分量及剪力，为软硬同心梁的等效面积及惯性矩，为等效弯矩计算距离，σ设定为破坏判据的临界值。
[0041]
图3和图4分别为配位数3-5二维混合分层梁网络模型1和配位数2-6二维混合分层梁网络模型2分层有序构建结构示意图。变配位数分层间隙分布构建方法叙述如下：从二维变配位数稀疏梁网络模型开始，通过删除梁单元来获得分层结构，例如创建间隙，这些间隙递归地将结构细分为按降序递减的承载模块。迭代的自上而下构建分层网络，根据完整梁网络模型，按载荷方向平行切割分为初始四个高级模块，分别得到配位数3-5一级分层有序稀疏梁网络模型101、配位数2-6一级分层有序稀疏梁网络模型201。这些高级模块组成两组，平行于载荷方向的两个模块串联设置并通过横向连接器11相连，垂直于载荷方向的两个模块通过间隙7进行分割，四个高级模块中的每个高级模块再次分为四个较低级别模块和一个跨模块的横向连接器11等。最终得到一系列梁网络模型，如配位数3-5二级分层有序稀疏梁网络模型102、配位数2-6二级分层有序稀疏梁网络模型202、配位数3-5三级分层有序稀疏梁网络模型103、配位数2-6三级分层有序稀疏梁网络模型203，直到n级分层有序稀疏梁网络模型。n级分层有序稀疏梁网络模型对应被划分为4n个高级子模块。周期性自相似结构组装方法则是首先把二维变配位数混合分层梁网络模型看作为是一个单胞，二维确定性混合分层梁网络结构通过多个单胞周期性排列得到，多级自相似三维结构在二维模型的基础上以自相似形式的逐级累加拼接粘合得到。
[0042]
以上所述为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进应包含在本发明的保护之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及同等物界定。同时，尽管本文较多地使用了配位数3-5二维混合分层梁网络模型1、配位数2-6二维混合分层梁网络模型2、承载梁3、交联梁4、交叉梁5、节点6、间隙7、刚性杆8、横向连接器11、配位数3-5一级分层有序稀疏梁网络模型101、配位数3-5二级分层有序稀疏梁网络模型102、配位数3-5三级分层有序稀疏梁网络模型103、配位数2-6一级分层有序稀疏梁网络模型201、配位数2-6二级分层有序稀疏
梁网络模型202、配位数2-6三级分层有序稀疏梁网络模型203等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

技术特征：
1.一种混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一、设计一个基于二维梁网络模型：步骤一一、建立相互连接梁单元的二维晶格模型，二维晶格模型为配位数是4的二维梁网络模型；步骤一二、改变节点的配位数得到二维变配位数稀疏梁网络模型；步骤二、在二维变配位数稀疏梁网络模型中，根据梁的位置及承载情况，将梁单元划分为承载梁、交联梁和交叉梁，这些梁在其末端被连接在一起，连接处被称为节点；步骤三、根据变配位数分层间隙分布构建方法在二维变配位数稀疏梁网络模型中安装横向连接器，从而划分为多个高级子模块，并将划分的高级子模块进行有序组装，形成多级分层有序稀疏梁网络模型，进而得到二维变配位数分层有序稀疏梁网络模型；步骤四、在保证强度的情况下，根据韧性最大化理论，生成二维变配位数混合分层梁网络模型，二维变配位数混合分层梁网络模型按照周期性自相似结构组装方法，通过层层分级组装形成多级自相似三维结构。2.根据权利要求1所述的混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述二维变配位数稀疏梁网络模型的每个节点有三个自由度，包括两个平移自由度和一个旋转自由度。3.根据权利要求1所述的混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述二维变配位数稀疏梁网络模型为二维配位数3-5稀疏梁网络模型或二维配位数2-6稀疏梁网络模型。4.根据权利要求1所述的混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述承载梁与交联梁的长度相同，均为
l
，交叉梁的长度被设置为5.根据权利要求1所述的混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述梁单元截面为同心截面，材料为硬相材料和软相材料的结合材料，软相材料包围在硬相材料之外。6.根据权利要求5所述的混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述硬相材料为玻璃态聚合物，软相材料为橡胶聚合物。7.根据权利要求1所述的混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤如下：步骤三一、根据二维变配位数稀疏梁网络模型，按载荷方向平行切割再分割为初始四个高级模块，得到一级分层有序稀疏梁网络模型，将高级模块组成两组，平行于载荷方向的两个高级模块串联设置并通过横向连接器相连，垂直于载荷方向的两个高级模块通过间隙进行分割；步骤三三、将四个高级模块中的每个高级模块再次分为四个高级模块，得到二级分层有序稀疏梁网络模型，将高级模块组成两组，平行于载荷方向的两个高级模块串联设置并通过横向连接器相连，垂直于载荷方向的两个高级模块通过间隙进行分割；步骤三四、重复步骤三三，得到多级分层有序稀疏梁网络模型，进而得到二维变配位数分层有序稀疏梁网络模型。8.根据权利要求1所述的混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述二维变配位数混合分层梁网络模型的生成过程是通过离散间隙和重排各级高级模块得到的。9.根据权利要求8所述的混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述离散间隙的方法采用韦伯分布的分布方式，通过对离散间隙后的模型进行拉伸预载试验，根据应力应变关系曲线的情况及破坏行为按照引导性重排或随机按列和按行重排各高级模块。
10.根据权利要求1所述的混合分层梁网络结构的设计方法，其特征在于所述周期性自相似结构组装方法是首先把二维变配位数混合分层梁网络模型看作为是一个单胞，二维确定性混合分层梁网络结构通过多个单胞周期性排列得到，多级自相似三维结构在二维模型的基础上以自相似形式的逐级累加拼接粘合得到。

技术总结
本发明公开了一种混合分层梁网络结构的设计方法，所述方法包括如下步骤：一、设计基于二维梁网络模型；二、在二维变配位数稀疏梁网络模型中，根据梁的位置及承载情况，将梁单元划分为承载梁、交联梁和交叉梁；三、二维变配位数稀疏梁网络模型中安装横向连接器，划分为多个高级子模块，将高级子模块进行有序组装，形成多级分层有序稀疏梁网络模型，进而得到二维变配位数分层有序稀疏梁网络模型；四、在保证强度的情况下，根据韧性最大化理论，生成二维变配位数混合分层梁网络模型，二维变配位数混合分层梁网络模型按照周期性自相似结构组装方法，通过层层分级组装形成多级自相似三维结构。该结构能够承受更加复杂的环境从而获得广阔的应用前景。阔的应用前景。阔的应用前景。


技术研发人员：满诗涵 于红军 刘士状 果立成 朱帅 杨宇宁
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/11