基于多信息体素的三角网格模型距离场算法 被引量：2

1

作者 黄江 张李超 +2 位作者 王森林 覃林 史玉升 《计算机集成制造系统》 北大核心 2025年第1期117-125,共9页

基于三维实体模型的符号距离场可高效进行诸如布尔运算和随形梯度点阵结构生成等三角网格模型难以处理的操作,在增材制造领域有着重要的用途,但复杂三角网格模型符号距离场的生成效率非常低。提出了基于多信息体素的三角网格模型精确符... 基于三维实体模型的符号距离场可高效进行诸如布尔运算和随形梯度点阵结构生成等三角网格模型难以处理的操作,在增材制造领域有着重要的用途,但复杂三角网格模型符号距离场的生成效率非常低。提出了基于多信息体素的三角网格模型精确符号距离场和混合距离场的概念及其生成算法。精确距离场算法将包含三角网格模型的有限空间平行于坐标轴等距分割成多个体素,对三维体素空间进行快速距离变换,生成粗糙符号距离场,依据粗糙符号距离场将相关三角面片划分到每个体素中,过滤无关的三角形,生成精确符号距离场,在效率上有百倍的提升;混合距离场算法利用粗糙符号距离场选择性构建边界附近的精确符号距离场,空间内其他位置用粗糙符号距离场表示,在保证内部符号距离场分辨率的前提下的提高了距离场的生成效率。最后通过生成随形的梯度点阵结构对算法进行验证。 展开更多

关键词 符号距离场 三角网格模型 增材制造 距离变换 三周期极小曲面

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Gyroid三周期极小曲面换热构件流动换热特性

2

作者 王兆霖 张志刚 +6 位作者 周静 高琛 彭克臣 姜敏迪 奚溪 徐胜利 刘红 《化工进展》 北大核心 2025年第8期4454-4462,共9页

以三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)Gyroid胞元构造微通道换热器,通过数值模拟方法分析其流动换热特性。对Gyroid胞元的数学描述及结构特征进行了阐述,并对不同尺寸的Gyroid胞元填充的高温换热器换热构件进行了模... 以三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)Gyroid胞元构造微通道换热器,通过数值模拟方法分析其流动换热特性。对Gyroid胞元的数学描述及结构特征进行了阐述,并对不同尺寸的Gyroid胞元填充的高温换热器换热构件进行了模拟计算,将结果进行对比分析并生成了流动换热经验关联式。为了降低压降,提出各向异性Gyroid胞元结构并研究其对流动换热特性的影响。研究结果表明:胞元尺寸越小,Gyroid的换热特性越好,但压降随之增大;研究确定了适用于G型胞元结构的流动换热经验关联式,为TPMS换热器设计提供了基础;在各向异性胞元中,增大流向尺寸可以提升流动换热综合性能,但会牺牲一部分换热性能;减小展向尺寸几乎不影响综合性能,可以同时减小体积和单位长度压降,并提高单位体积换热量。因此,需要综合考虑设计需求。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 Gyroid胞元 微通道 数值模拟 换热构件

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基于三周期极小曲面的梯度多孔支架力学及渗透性能研究

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作者 秦世坤 段明德 +2 位作者 梁士杰 张辉 张壮雅 《机械强度》 北大核心 2025年第3期51-59,共9页

为构建具有良好生物学性能的骨支架结构,基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)设计不同孔隙率、单胞尺度下的P型、FRD型匀质多孔支架,以及P&FRD梯度多孔支架;并通过试验和有限元仿真的方法,探究单胞类型、孔... 为构建具有良好生物学性能的骨支架结构,基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)设计不同孔隙率、单胞尺度下的P型、FRD型匀质多孔支架,以及P&FRD梯度多孔支架;并通过试验和有限元仿真的方法,探究单胞类型、孔隙率及单胞尺度对TPMS多孔支架力学和生物学性能的影响。研究结果表明,基于TPMS建立的匀质和梯度多孔支架内部孔道具有良好的连通性;多孔支架的力学性能随着孔隙率的增加而降低,但渗透性则随着孔隙率的增加而提高;增大单胞尺度可以明显提高多孔支架的渗透性;梯度多孔支架的渗透率还受渗流方向的影响;梯度多孔支架能综合各匀质单胞结构的性能特点,在支架不同区域表现出不同的力学和生物学性能,更接近人体骨骼的结构和生物学性能。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 梯度多孔支架 力学性能 渗透性

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三周期极小曲面功能梯度点阵结构的动力学特性

4

作者 李媛 李洋 +1 位作者 班子豪 马翔宇 《机械工程材料》 北大核心 2025年第8期86-93,共8页

基于隐函数法设计了三周期极小曲面(TPMS)功能梯度点阵结构,建立了几何参数与相对密度的映射关系,并引入梯度指数调控点阵结构的密度分布;通过有限元仿真与单轴压缩试验标定等效力学参数,基于最小势能原理构建了TPMS功能梯度点阵结构的... 基于隐函数法设计了三周期极小曲面(TPMS)功能梯度点阵结构,建立了几何参数与相对密度的映射关系,并引入梯度指数调控点阵结构的密度分布;通过有限元仿真与单轴压缩试验标定等效力学参数,基于最小势能原理构建了TPMS功能梯度点阵结构的动力学模型并进行数值求解,通过有限元仿真与试验模态分析对模型进行验证,采用建立的动力学模型分析了点阵结构的动力学特征。结果表明:采用建立的动力学模型数值求解得到的TPMS功能梯度点阵结构前四阶固有频率与有限元仿真结果的相对误差小于5%,前两阶固有频率与试验结果的相对误差小于6%,证实了模型的可靠性。求解得到TPMS功能梯度点阵结构的固有频率随相对密度增大而增大;随着梯度指数增大,xOy平面弯曲模态(一/三/七阶)频率先减后增再减,xOz平面弯曲模态(二/四/八阶)及纵向模态(六阶)频率下降。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 梯度点阵结构 等效力学参数 动力学模型

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激光选区熔化成形多层级Gyroid点阵结构的力学性能研究 被引量：2

5

作者 王鹏欢 汤名锴 王森林 《力学学报》 北大核心 2025年第1期148-161,共14页

三周期极小曲面(TPMS)结构因其优异的力学性能,在航空航天领域关键零件轻量化方面展现出广阔的应用前景.为有效增强TPMS结构力学性能及其轻量化程度,提出一种基于应力场引导的多层级TPMS点阵结构设计优化方法,设计出多层级Gyroid点阵结... 三周期极小曲面(TPMS)结构因其优异的力学性能,在航空航天领域关键零件轻量化方面展现出广阔的应用前景.为有效增强TPMS结构力学性能及其轻量化程度,提出一种基于应力场引导的多层级TPMS点阵结构设计优化方法,设计出多层级Gyroid点阵结构,采用激光选区熔化技术制备了相应的点阵结构,并与体积分数相同的初级Ti6Al4V Gyroid点阵结构进行了对比研究.在此基础上,通过有限元模拟和压缩试验,系统研究了多层级Gyroid点阵结构的压缩性能、变形行为和能量吸收性能.结果显示,与相同体积分数的初级Gyroid点阵结构相比,多层级Gyroid点阵结构压缩性能显著提升,其弹性模量、屈服强度和极限强度分别提高了约36.52%,58.55%和57.62%,能量吸收能力提升了约42.85%.此外,与初级Gyroid点阵结构在斜压杆中心区域的45°剪切断裂模式不同,多层级Gyroid点阵结构初期在填充区域发生层状断裂,随后在未填充区域的斜压杆中心区域发生45°剪切断裂.基于Johnson-Cook塑性模型和损伤模型所建立的有限元模型能够准确预测多层级Gyroid点阵结构的变形行为和力学性能,其预测误差在20%以内.文章所设计的多层级Gyroid点阵结构具有优异的力学性能和能量吸收能力,为航空航天领域高性能轻量化零件优化设计与制造提供了新的思路与技术支持. 展开更多

关键词 激光选区熔化 三周期极小曲面 多层级结构 有限元分析 力学性能

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微细点阵结构的流动传热强化研究及应用综述

6

作者 李小龙 梁栋 +3 位作者 李丽霞 陈宏 文佳俊 陈伟 《航空发动机》 北大核心 2025年第2期53-67,共15页

微细点阵结构凭借高表体比、强扰流作用及轻量化特性等优势,在航空发动机、燃气轮机及高超声速动力装置的热端部件热防护应用中展现出巨大的潜力。介绍了桁架型点阵结构和三周期极小曲面(TPMS)点阵结构的定义、设计方法与流动传热特性,... 微细点阵结构凭借高表体比、强扰流作用及轻量化特性等优势,在航空发动机、燃气轮机及高超声速动力装置的热端部件热防护应用中展现出巨大的潜力。介绍了桁架型点阵结构和三周期极小曲面(TPMS)点阵结构的定义、设计方法与流动传热特性,归纳了其流动传热性能的影响因素及相关优化设计策略,总结了其在航空发动机热端部件冷却和高速飞行器前缘热防护中的应用研究进展。增材制造技术的进步为复杂微细点阵结构的精确成型提供了工艺保障。其中,桁架型点阵结构通过交叉倾斜的杆件诱导形成复杂涡流,其传热强化效果相对于传统冷却结构显著提高,但伴随较高的流动压降;三周期极小曲面点阵结构凭借连续光滑的曲面形态和灵活的设计自由度,结合优化算法后展现出高效精准的冷却调控效果。当前,常规工况下典型点阵结构的流动传热特性已得到初步阐述,未来研究可以重点关注梯度点阵结构的优化设计方法、复杂高温环境与旋转效应对其流动传热的影响以及点阵结构与其它冷却技术的协同强化机制等方向,以期进一步推动微细点阵结构在空天热防护系统中的工程应用。 展开更多

关键词 微细点阵结构 三周期极小曲面结构 传热强化 热端部件热防护 航空发动机

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增材制造三周期极小曲面换热器流动传热特性实验

7

作者 苏烯元 张月亮 +1 位作者 饶宇 王心彤 《推进技术》 北大核心 2025年第9期192-200,共9页

为提高燃气轮机回热循环的热效率,本文针对微型燃气轮机对紧凑、高效、轻质换热器的迫切需求设计了一款基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)的晶格换热器,换热器基于模块化的设计与加工理念,可以大幅度减少加工周... 为提高燃气轮机回热循环的热效率,本文针对微型燃气轮机对紧凑、高效、轻质换热器的迫切需求设计了一款基于三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)的晶格换热器,换热器基于模块化的设计与加工理念,可以大幅度减少加工周期,加快设计迭代速度。采用选择性激光融化(Selective Laser Melting,SLM)增材制造技术得到了不锈钢材料加工的换热器单元样机,并开展了单元样机的稳态流动传热实验。实验结果表明,在冷流体雷诺数200h<800内,换热器的热效率为0.65~0.74,同时,在相同的雷诺数下,TPMS晶格换热器的Nu数相较菱形八胞体多孔晶格换热器和圆形针翅片换热器可依次提升27%与43%。采用综合性能评价因子(Performance Evaluation Coefficient,PEC)与体积功率密度(Volume-Based Power Density,VBPD)对TPMS晶格换热器进行综合评价,在流量较大的情况下,TPMS晶格换热器的综合性能相较于印刷电路板式换热器(Printed Circuit Heat Exchanger,PCHE)和圆形针翅片换热器依次提升了71%与43%。另外,较小的晶格尺寸有助于在低雷诺数下提高体积功率密度,但也会带来更大的压损。本文设计的TPMS换热器能够满足微型燃气轮机等领域对紧凑、高效、轻质换热器的需求。 展开更多

关键词 微型燃气轮机 三周期极小曲面 增材制造 流动传热特性 稳态实验

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基于三周期极小曲面的管道爬行机器人

8

作者 梁加龙 罗凯 +1 位作者 李德臣 陈飞飞 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第3期1133-1141,共9页

针对流体运输中的小管径管道检测与维护任务,设计并研制了一种小尺寸软体气动管道爬行机器人。该机器人采用解析隐式三周期极小曲面偏置技术,形成具有厚度的实体结构,并通过调整隐式方程参数实现结构刚度的各向异性。在此基础上,设计了... 针对流体运输中的小管径管道检测与维护任务,设计并研制了一种小尺寸软体气动管道爬行机器人。该机器人采用解析隐式三周期极小曲面偏置技术,形成具有厚度的实体结构,并通过调整隐式方程参数实现结构刚度的各向异性。在此基础上,设计了径向和纵向变形驱动器,以满足机器人在管道内的灵活运动需求。为优化机器人性能,提出了一种基于MATLAB、Rhino和ABAQUS的联合参数优化框架,并利用Python脚本实现自动化参数优化流程。通过这一框架,可以有效提高机器人的运动性能和适应性。基于两种变形驱动器,设计了管道爬行机器人的整体结构,并详细阐述了制造方法和运动控制步态。实验结果表明,所设计的管道机器人能够在两种不同姿态以及一定载荷条件下稳定地沿管道运动,验证了联合参数优化框架的可行性。研究成果为后续管道爬行机器人的参数化设计和优化研究提供了有价值的参考,有助于推动软体机器人在小管径管道检测与维护领域的应用发展。 展开更多

关键词 管道爬行机器人 三周期极小曲面 驱动器结构参数优化 软体机器人

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增材制造TPMS多孔结构的压缩与吸声性能

9

作者 范恒亮 李大胜 +3 位作者 王超 杨丽 赵静 张建翔 《塑料工业》 北大核心 2025年第1期90-95,118,共7页

基于三周期极小曲面(TPMS)设计了孔隙率为50%、55%和60%的均质和梯度Gyroid(G)型、I-Graph-Wrapped Package(IWP)型TPMS多孔结构,并采用熔融沉积成型(FDM)技术制备试样。通过Micro-CT扫描、压缩试验和声阻抗管测试,研究了多孔结构的孔... 基于三周期极小曲面(TPMS)设计了孔隙率为50%、55%和60%的均质和梯度Gyroid(G)型、I-Graph-Wrapped Package(IWP)型TPMS多孔结构,并采用熔融沉积成型(FDM)技术制备试样。通过Micro-CT扫描、压缩试验和声阻抗管测试,研究了多孔结构的孔隙特征、压缩和吸声性能。结果表明,熔融沉积技术成型的试样具有良好的连通性,内部局部的缺陷导致孔隙率存在较小偏差;当孔隙率从50%增加到60%,均质多孔结构的弹性模量和屈服强度会逐渐降低;在平均孔隙率均为55%的情况下,G-50-60结构的屈服强度和弹性模量要大于IWP-50-60结构的,而单元尺寸梯度较孔隙率梯度多孔结构具有较好的压缩性能和吸声特性。在揭示多孔结构压缩性能的基础上研究其吸声性能,扩展了TPMS轻质结构的多功能性。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 力学性能 隔声性能 熔融沉积成型

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增材制造钛合金TPMS材料的力学性能研究

10

作者 张浩 杭平平 +7 位作者 于国际 苗成 张智美 王琦程 高龙 杨子臻 党伟 姜春云 《兵器材料科学与工程》 北大核心 2025年第2期71-77,共7页

为探究增材制造钛合金三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)材料在防护领域的应用,设计了不同相对密度的IWP(I-wrapped package)型曲面力学超材料,采用激光选区熔融(selective laser melting,SLM)技术,制备钛合金极... 为探究增材制造钛合金三周期极小曲面(triply periodic minimal surfaces,TPMS)材料在防护领域的应用,设计了不同相对密度的IWP(I-wrapped package)型曲面力学超材料,采用激光选区熔融(selective laser melting,SLM)技术,制备钛合金极小曲面结构试样,采用单轴面内压缩力学试验和直接撞击式霍普金森杆(DIHB)系统方法,研究其准静态及动态力学特性。结果表明:在一定的相对密度范围内,IWP力学超材料的初始峰值应力和平台应力随着相对密度的增大呈近似线性增大,比吸能随着相对密度的增大而增大,但其增值递减。不同相对密度的IWP力学超材料在静态试验中的变形模式相似,出现倾斜剪切带和应力下降的现象。比较结构静动态力学特性发现,IWP力学超材料在高应变率下表现出一定的应变率敏感性,高应变率下结构的初始峰值应力显著提高。研究结果为TPMS力学超材料在不同工况下的应用提供了依据。 展开更多

关键词 三周期极小曲面力学超材料 准静态压缩 变形模式 动态冲击 力学性能

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TPMS骨组织多孔结构参数化设计方法研究 被引量：1

11

作者 石志良 王伟 +1 位作者 卢小龙 张亚 《机械设计与制造》 北大核心 2024年第6期265-270,共6页

三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)曲率为零,具有相连通的高孔隙率结构,能够更好地适应细胞增长、营养物输送和代谢物排出。基于传统CAD的TPMS多孔结构设计,孔隙率、孔径大小与TPMS曲面参数未建立明确的对应关系,... 三周期极小曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)曲率为零,具有相连通的高孔隙率结构,能够更好地适应细胞增长、营养物输送和代谢物排出。基于传统CAD的TPMS多孔结构设计,孔隙率、孔径大小与TPMS曲面参数未建立明确的对应关系,设计缺乏灵活性。通过探究阈值和周期对孔隙率的影响关系,提出一种TPMS多孔结构参数化设计方法。基于TPMS设计孔单元,研究发现阈值与孔隙率基本呈线性关系,周期与孔隙率无关,但周期的改变会显著影响模型的孔径大小。由此将阈值和周期作为参数化设计的主要参数输入,可自动生成孔隙率和孔径大小可控的多孔结构。该方法实现于Rhinoceros的Grasshopper(GH)插件,并进行实例验证。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 多孔结构 参数化设计 阈值 周期

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TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计 被引量：3

12

作者 曾元辉 赵淼 +1 位作者 张正文 周海伦 《重庆大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期76-86,共11页

三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)点阵结构因其优异的综合性能受到中外学者的广泛关注。在点阵结构实际应用过程中,常常需要对其进行优化设计以兼顾轻量化与承载性能两方面的要求。目前,对TPMS点阵结构的优化设计... 三周期极小曲面(triply periodic minimal surface,TPMS)点阵结构因其优异的综合性能受到中外学者的广泛关注。在点阵结构实际应用过程中,常常需要对其进行优化设计以兼顾轻量化与承载性能两方面的要求。目前,对TPMS点阵结构的优化设计主要集中于密度梯度层面,未综合考虑载荷方向对其力学性能的影响。为此,首先研究了TPMS点阵结构的各向异性特征。基于平均场均匀化方法求解了不同类型TPMS点阵结构的等效弹性矩阵,通过Matlab插值计算,绘制了其在三维空间范围内的杨氏模量图。发现不同类型的TPMS点阵结构呈现出不同的各向异性特征,其中W点阵结构在[100]等轴线方向上性能较强,在[111]等斜向对角方向上性能较弱,而P点阵结构则刚好相反。根据TPMS点阵结构的各向异性,同时考虑主应力方向以及相对密度分布对其性能的影响,提出了TPMS点阵结构的密度梯度杂交优化设计方法。以悬臂梁模型为基础,基于载荷边界条件对其进行拓扑优化设计,并将拓扑优化密度云映射为点阵结构的相对密度分布,从而实现密度梯度设计。根据TPMS点阵结构的各向异性特征以及单元主应力方向分别选择W和P点阵单胞填充悬臂梁,使主应力方向位于点阵结构性能较强的方向,避免点阵结构在性能薄弱的方向承受较大的应力。将不同类型的TPMS点阵单元合理分布后,利用激活函数将它们进行杂交连接,实现结构梯度设计。综合相对密度分布和单元结构分布,生成密度梯度杂交点阵结构。采用有限元仿真方法对比分析优化设计前后点阵结构的承载性能,结果表明密度梯度W和P点阵结构的刚度与对应的均质点阵结构相比都有明显提高,而由W和P两种点阵单胞组成的密度梯度杂交点阵结构刚度最大,比密度梯度W和P点阵结构分别提高4.63%和33.63%。该结果表明在密度优化的基础上,根据承载时单元主应力方向将不同类型的点阵结构进行合理分布以及混合杂交设计能够进一步提高结构的整体刚度。建立的TPMS点阵结构密度梯度杂交优化方法为其在轻量化设计等方面的应用提供了一定的指导。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 点阵结构 密度梯度 杂交 各向异性

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功能梯度三周期极小曲面静动态力学特性 被引量：2

13

作者 程乾 尹剑飞 +1 位作者 温激鸿 郁殿龙 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期2646-2658,共13页

功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能.为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律,构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度)Gyroi... 功能梯度设计能够有效提高结构的力学特性及吸能性能.为探讨功能梯度极小曲面结构在静动态载荷下的力学响应以及梯度壁厚分布方式对其力学特性的影响规律,构建了包含线性梯度和多种非线性梯度(对数梯度、Sigmoid梯度以及指数梯度)Gyroid结构,通过3D打印光敏树脂制备样件开展了准静态压缩试验,采用LS-DYNA构建仿真模型并与试验结果对比,验证了仿真方法的有效性.研究发现,功能梯度壁厚分布方式显著影响结构力学性能及变形模式.在准静态压缩下,功能梯度结构呈现逐层压溃的变形模式,在接触端产生局部的致密化带,这一模式导致梯度结构吸能特性有一定提升.基于准静态测试数据以及试验变形模式分析,构建了Gibson-Ashby模型,揭示了均质结构弹性模量和屈服强度随等效密度的变化规律;利用该Gibson-Ashby模型,预测了功能梯度结构屈服强度,并构建等应力模型预测了梯度结构的弹性模量,预测结果与实验值具有良好的一致性.对于其动态力学性能,构建了4种冲击速度仿真模型,深入探讨不同冲击速度对梯度结构力学性能的影响规律.功能梯度结构在高速冲击下,由于其壁厚逐层递增的特性,其局部压溃现象更为明显,导致其在高速冲击下的致密化应变显著增大,其吸能特性也有所提升.其中,对数梯度结构具有最高的屈服强度,而Sigmoid梯度结构具有最高的平均平台应力和吸能特性,其比吸能特性为13.01 J/g,相较于相对密度为45%的均质结构而言提升了45%.此外,基于刚性-完美塑性-锁定模型对梯度结构的动态平台应力进行拟合预测,拟合结果与仿真结果吻合度较高,为预测功能梯度结构的动态力学响应提供了计算方法. 展开更多

关键词 三周期极小曲面结构 功能梯度结构 动态冲击 力学性能 吸能特性

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基于增材制造的三周期极小曲面结构关键力学性能研究进展 被引量：2

14

作者 黄心语 汤华远 王磊 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期3099-3115,共17页

三周期极小曲面结构是一类具有光滑连续曲面和高比表面积的特殊多孔结构,具有承载能力强、能量吸收率高、疲劳性能好等优异性质,在航空航天、生物医学和隔声吸声等诸多领域有着广泛的应用.增材制造技术在制造复杂拓扑结构方面具有独特优... 三周期极小曲面结构是一类具有光滑连续曲面和高比表面积的特殊多孔结构,具有承载能力强、能量吸收率高、疲劳性能好等优异性质,在航空航天、生物医学和隔声吸声等诸多领域有着广泛的应用.增材制造技术在制造复杂拓扑结构方面具有独特优势,为三周期极小曲面结构的制造提供了有力工具.然而增材制造过程中也引入诸多缺陷,对结构的力学性能产生重要影响.全面深入地研究增材制造三周期极小曲面结构的力学性能,对评价和预测结构性能、扩宽其在工程中的应用具有重要意义.首先从结构形式、特点及应用领域等方面对三周期极小曲面结构进行了介绍,重点针对静态压缩吸能、动态抗冲击和疲劳断裂等关键力学性能,综述了近期的重要进展.围绕三周期极小曲面结构的隔声吸声性质和热交换性能,亦进行了讨论.其次,以选区激光熔化与选区激光烧结为例,介绍了增材制造制备三周期极小曲面结构的主要方法.再次,结合增材制造技术,讨论制造过程中引入的缺陷对三周期极小曲面结构力学性能的影响,包括残余应力、表面粗糙度和内部微孔洞等.最后,结合实际应用对该领域面临的主要困难和挑战进行总结,同时展望了未来的研究方向. 展开更多

关键词 三周期极小曲面结构 增材制造 力学性能 残余应力 缺陷

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基于SLM的髋臼杯多孔结构设计与力学性能分析 被引量：2

15

作者 魏青天 曾寿金 +1 位作者 叶建华 郑万锋 《精密成形工程》 北大核心 2024年第4期120-128,共9页

目的获得长期稳定性更优的医用多孔髋臼杯。方法利用三周期极小曲面方法设计出更适合应用于髋臼杯的多孔结构,采用选区激光熔化方法进行加工成形。对样件进行测量得到其力学性能参数。对得到的弹性模量、屈服强度进行分析,得出不同结构... 目的获得长期稳定性更优的医用多孔髋臼杯。方法利用三周期极小曲面方法设计出更适合应用于髋臼杯的多孔结构,采用选区激光熔化方法进行加工成形。对样件进行测量得到其力学性能参数。对得到的弹性模量、屈服强度进行分析,得出不同结构的变形模型及设计参数对多孔结构力学性能的影响,选择力学性能和生物相容性均符合髋臼杯多孔需求的一组多孔结构。结果制造出的多孔结构弹性模量为3.27~7.44 GPa,屈服强度为164.84~407.21 MPa。试验结果表明,TPMS设计的多孔结构力学性能优良,除了70%与75%孔隙率的P结构之外,均可以在力学性能上满足髋臼杯的制造。从变形模式看,P结构变形模式以拉伸为主,G结构与D结构为混合模式变形。其中,G结构设计参数对多孔样件的力学性能影响最大。结论得到最适合制造髋臼杯多孔结构的是TPMS的G结构,并将G结构应用于髋臼杯的三维模型中。 展开更多

关键词 增材制造 选区激光熔化 多孔结构 髋臼杯 三周期极小曲面

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Ti6Al4V有序多孔Diamond夹芯结构隔声性能研究

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作者 张鹏飞 李忠华 +1 位作者 刘斌 李亚东 《兵器装备工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期267-274,共8页

基于三周期极小曲面(TPMS)的Ti6Al4V有序多孔夹芯结构具有轻质、高强以及可设计性好等优点,在航空航天、生物医学等领域具有广阔的应用前景,而其隔声性能还没有得到充分的研究。基于此,通过TPMS隐函数法设计了Ti6Al4V有序多孔Diamond夹... 基于三周期极小曲面(TPMS)的Ti6Al4V有序多孔夹芯结构具有轻质、高强以及可设计性好等优点,在航空航天、生物医学等领域具有广阔的应用前景,而其隔声性能还没有得到充分的研究。基于此,通过TPMS隐函数法设计了Ti6Al4V有序多孔Diamond夹芯结构,研究了胞元层数、面板厚度、体积分数3个参数对其隔声性能的影响。结果表明,体积分数对钛合金有序多孔Diamond夹芯结构的隔声性能影响最大,胞元层数次之,面板厚度影响较小。增大体积分数和调节胞元层数都可以有效的提升夹芯结构的隔声性能。在Diamond夹芯结构具备轻质高强的基础上研究其隔声性能,扩展了Ti6Al4V有序多孔夹芯结构的多功能性。 展开更多

关键词 三周期极小曲面 选区激光熔化技术 夹芯结构 隔声性能

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不同参数三周期极小曲面夹层结构三点弯曲性能的有限元模拟 被引量：1

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作者 吴耀中 王亚辉 +2 位作者 李学鹏 齐旭 王华伟 《机械工程材料》 CAS CSCD 北大核心 2024年第12期106-111,共6页

建立了Primitive型三周期极小曲面(P-TPMS)夹层结构三点弯曲的有限元模型,通过三点弯曲试验进行了验证;采用该有限元模型研究了胞元长度(8,12,24 mm)、P-TPMS结构相对密度(0.15,0.20,0.25)、面板厚度(1.5,2.0,2.5 mm)等结构参数对夹层... 建立了Primitive型三周期极小曲面(P-TPMS)夹层结构三点弯曲的有限元模型,通过三点弯曲试验进行了验证;采用该有限元模型研究了胞元长度(8,12,24 mm)、P-TPMS结构相对密度(0.15,0.20,0.25)、面板厚度(1.5,2.0,2.5 mm)等结构参数对夹层结构极限载荷和弯曲刚度的影响。结果表明:模拟得到的夹层结构的力-位移曲线整体变化趋势与试验结果基本吻合,极限载荷的相对误差为5.7%,验证了有限元模型的准确性。随着胞元长度的增加,夹层结构的极限载荷呈先升后降的趋势,当胞元长度为12 mm时极限载荷最大,较胞元长度为24 mm提高9.2%,弯曲刚度减小,胞元长度为8 mm的弯曲刚度较胞元长度为24 mm提高23.9%;随着P-TPMS结构相对密度或面板厚度的增加,夹层结构的极限载荷和弯曲刚度均增大,P-TPMS结构相对密度为0.25的极限载荷和弯曲刚度较相对密度为0.15分别提高91.4%和78.1%,面板厚度为2.5 mm的极限载荷和弯曲刚度较面板厚度为1.5 mm分别提高34.0%和38.7%。 展开更多

关键词 三周期极小曲面夹层结构 三点弯曲 结构参数 有限元模拟 极限载荷 弯曲刚度

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3D打印三周期极小曲面多孔钽仿生骨支架结构设计及力学性能研究

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作者 时艺 乌日开西·艾依提 张宇涛 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第12期197-207,共11页

为了实现植入物与人体骨在生物力学和细胞相容性方面的匹配,综合评价了钽点阵结构的力学性能和渗透性能,以寻求可应用于钽多孔骨支架的最佳点阵结构。基于三周期极小曲面的不同建模方法,设计了6种类型的单元体结构,通过选区激光熔化工... 为了实现植入物与人体骨在生物力学和细胞相容性方面的匹配,综合评价了钽点阵结构的力学性能和渗透性能,以寻求可应用于钽多孔骨支架的最佳点阵结构。基于三周期极小曲面的不同建模方法,设计了6种类型的单元体结构,通过选区激光熔化工艺制备了相关钽点阵结构试样。通过准静态压缩试验获得点阵结构的力学性能,并记录破坏过程;基于有限元软件Abaqus建立相对应的压缩模型,获取压缩过程中应力应变的变化;利用COMSOL软件对点阵结构的渗透性能进行模拟分析。结果表明:片状结构的弹性模量、屈服强度和能量吸收均高于杆状结构,渗透率则低于杆状结构;G型和F-KS型杆状结构在50%应变下出现了脆性断裂的裂口;6种钽点阵结构的弹性模量为3.8~6.1 GPa,屈服强度为47~107 MPa,介于皮质骨和松质骨的范围内;6种结构的渗透率为6.5×10^(-10)~3.97×10^(-9)m^(2),均在骨小梁的渗透率范围内。研究结果表明,所设计的钽点阵结构适用于骨支架,综合性能最好的是G型片状结构。 展开更多

关键词 3D打印 选区激光熔化 三周期极小曲面 多孔钽 骨支架 渗透性

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电子束增材制造多孔骨支架的选用与疲劳性能研究

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作者 谢海琼 甘道其 +3 位作者 刘飞 谢海涛 杨白银 周天宇 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第3期348-357,共10页

增材制造多孔结构具有优良的力学仿生和促骨长入性能,支持骨科植入假体在体内的长期稳定。本研究采用三周期极小曲面(TPMS)法和电子束熔融技术(EBM)设计并制备了仿骨小梁多孔结构,通过微计算机断层扫描技术(Micro-CT)和力学疲劳实验研... 增材制造多孔结构具有优良的力学仿生和促骨长入性能,支持骨科植入假体在体内的长期稳定。本研究采用三周期极小曲面(TPMS)法和电子束熔融技术(EBM)设计并制备了仿骨小梁多孔结构,通过微计算机断层扫描技术(Micro-CT)和力学疲劳实验研究它们的孔隙特性、机械力学和疲劳性能,提出了一套新颖的适用于骨科植入假体的选用方法,以满足孔隙连通、力学稳定和高周疲劳寿命的需求。Micro-CT和扫描电镜(SEM)表征发现,单元尺寸≥1.5 mm的多孔支架具有仿生的孔径(748μm)和良好的孔隙连通性;TPMS-Gyroid支架的力学稳定性和可靠性优于TPMS-Diamond支架,所建立的Gibson-Ashby方程可为钛合金多孔支架的设计提供力学性能预测;支架在应力水平为0.2时的疲劳寿命>106次,满足植入材料的长期安全使用要求,其弹性模量与人体松质骨的弹性模量相似(0.1~1.1 GPa)。疲劳行为的研究还发现,疲劳棘轮和疲劳损伤是引发多孔支架失效的主要原因。在设计金属多孔支架结构时,可通过增大支架单元尺寸来减少裂纹萌生的缺口数量,有助于提高支架的疲劳寿命。 展开更多

关键词 电子束熔化 三周期极小曲面 多孔支架 力学性能 疲劳寿命

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含各向异性TPMS骨架复合材料相变传热特性研究

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作者 李鸿臣 陈宝明 +2 位作者 朱彭真 仲崇龙 马超富 《储能科学与技术》 CAS CSCD 北大核心 2024年第12期4319-4329,共11页

相变材料作为绿色环保的储能材料,被广泛应用于储热领域,但其导热性能较差,通常添加金属骨架以提高相变材料的储热效率。为探究骨架的各向异性对多孔介质复合材料储热相变过程的影响,利用仿生效果较好的三周期极小曲面法(TPMS)建立了Gyr... 相变材料作为绿色环保的储能材料,被广泛应用于储热领域,但其导热性能较差,通常添加金属骨架以提高相变材料的储热效率。为探究骨架的各向异性对多孔介质复合材料储热相变过程的影响,利用仿生效果较好的三周期极小曲面法(TPMS)建立了Gyroid型骨架和各向异性Gyroid型骨架与相变材料构成复合材料,并将3种不同方向的各向异性Gyroid型骨架与Gyroid型骨架进行比较,基于格子Boltzmann方法,在孔隙尺度下,研究了4种工况的固液相变过程,结果表明:在特定朝向方向的各向异性Gyroid型骨架较Gyroid型骨架强化相变材料换热能力更强,其不仅增强了骨架的导热性能,对腔体内的自然对流抑制作用也更小。各向异性Gyroid型骨架的工况2较Gyroid型骨架熔化时间缩短了14%,腔体内升温速度更快,在Fo=0.06时,截线处高于相变终止温度的区域较Gyroid型骨架多约16%,对流体流动的抑制作用更小,在取定截线处的速度峰值较Gyroid型骨架高13.5%。本研究构造的各向异性Gyroid型骨架复合材料,在不改变孔隙率的条件下,增强了相变复合材料的储热速率,为TPMS骨架设计提供了理论依据。 展开更多

关键词 三周期最小曲面 固液相变 格子BOLTZMANN方法 传热 数值模拟

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