一种具有可调节力学性能的双相点阵结构设计方法

本发明涉及结构优化设计与增材制造，具体为一种具有可调节力学性能的双相点阵结构设计方法。

背景技术：

1、点阵结构作为一种典型的轻质多孔结构，由周期性排列的胞元在空间中重复构成，因其高比强度、高比刚度以及优异的能量吸收性能，在航空航天、生物医疗、汽车制造等高新技术领域获得了广泛应用。随着增材制造技术的快速发展，点阵结构的设计自由度得到极大拓展，为实现力学性能的按需定制提供了可能。

2、近年来，研究者们尝试通过引入软相与硬相的组合来拓展点阵结构的力学性能调控空间。例如，中国专利（cn121980833b，一种双相点阵混合晶格结构及其连接界面过渡优化设计方法）公开了一种双相点阵混合晶格结构设计方法，通过选取两种不同类型的点阵晶格结构并确定混合排布方式，对不同晶胞间的杆径进行变杆径过渡设计，规避了局部应力集中，提升了晶格结构的力学性能。然而，该方法主要聚焦于连接界面的杆径过渡优化。中国专利（cn115217822b，双相力学超材料及制造方法）公开了一种包含硬相点阵单胞和软相点阵单胞的双相力学超材料，单胞之间通过公头连接部和母头连接部实现连接，但缺乏对软硬相空间分布的系统化设计方法。中国专利（cn118517487a，一种负泊松比点阵填充的双材料吸能结构及其制备方法）公开了一种负泊松比胞元点阵填充的双材料曲率梯度吸能结构，由若干双材料三维胞元点阵层组成，但其依赖于多种材料的组合使用，增加了材料选择、界面匹配和制造工艺的复杂性。

3、综上所述，现有点阵结构设计方法在以下方面仍存在不足：（1）缺乏系统的软硬相空间排列设计方法，难以充分利用空间分布对力学性能的调控潜力；（2）正向设计效率低，难以高效匹配特定的目标力学性能；（3）力学性能的可调节多依赖多材料体系，单一材料条件下的调控手段有限。针对上述问题，本发明提出了一种具有可调节力学性能的双相点阵结构设计方法，通过软硬相空间排列方式的优化设计，结合数据驱动的高效预测与逆向筛选，实现了在单一材料条件下对点阵结构力学性能的按需定制设计。

技术实现思路

1、一种具有可调节力学性能的双相点阵结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2、s1、构建由软相和硬相在空间中排列组成的双相点阵结构模型，通过调控软相与硬相的空间排列方式实现力学性能的可调节；

3、s2、将双相点阵结构的软硬相空间排列方式转化为二元编码表示；

4、s3、随机生成多组具有不同二元编码的双相点阵结构模型，获取每个模型的唯一力学性能曲线，构建包含二元编码与对应力学性能的数据集；

5、s4、构建并训练代理模型，以代表软硬相空间分布的二元编码为输入，以力学性能曲线为输出，建立二元编码到力学性能之间的预测模型；

6、s5、基于训练完成的代理模型，针对设定的目标力学性能，在设计空间中筛选出能够实现该目标性能的最优二元编码，完成力学性能的按需定制设计。

7、优选的，所述s1中，所述软相和硬相由同一种单一材料制成。

8、优选的，所述s1中，所述软相为弯曲主导变形机制的点阵胞元，所述硬相为拉伸主导变形机制的点阵胞元，软相胞元和硬相胞元具有相同的胞元尺寸，以保证二元编码的规则性。

9、优选的，所述s1中，硬相胞元选用拉伸主导变形机制的primitive杆状点阵，软相胞元选用弯曲主导变形机制的primitive壳状点阵，软相与硬相通过隐式函数建模，公式如下：

10、

11、

12、式中，控制胞元尺寸，为方向的胞元边长，控制胞元表面在空间中的偏移距离。固体区域定义为，孔隙区域定义为。通过调节值可独立设定软相和硬相各自的体积分数。

13、优选的，所述s1中，软相与硬相的连接方式采用二元函数实现无缝连接，公式如下：

14、

15、式中，为第个胞元对应的隐式函数，为连接因子，为第个胞元的中心点坐标。

16、优选的，所述s2中，所述二元编码表示为0/1编码形式，该编码矩阵唯一确定软相和硬相在空间中的分布，每个编码单元以0代表软相、以1代表硬相。

17、优选的，所述s3中，所述力学性能通过准静态压缩仿真获得，并以应力-应变曲线形式记录；采用显式求解器进行准静态压缩仿真，考虑几何非线性和材料非线性，获取完整的应力-应变曲线；将每个结构的二元编码矩阵与其对应的应力-应变曲线配对，形成数据集，并按照7:3的比例划分为训练集和验证集。

18、优选的，所述s4中，所述代理模型为深度神经网络，其输入层节点数等于二元编码矩阵的总单元数，输出层节点数等于应力-应变曲线的离散采样点数，网络包含多个全连接隐藏层。

19、优选的，所述s5中，基于训练完成的代理模型，对设计空间内所有可能的二元编码组合进行预测，计算预测性能与目标性能之间的均方根误差，以均方根误差最小化为准则，筛选出最优软硬相排列组合。

20、优选的，所述s5中，设计出的双相点阵结构适用于增材制造。

21、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

22、1、本发明通过软硬相空间排列方式的系统化设计，充分利用空间分布对力学性能的调控潜力，相较于仅改变胞元几何参数的传统方式，组合方式多样，设计灵活。

23、2、本发明仅采用单一材料即可实现点阵结构力学性能的有效调节，避免了多材料体系带来的界面相容性差、制造工艺复杂及成本增加等问题，与现有增材制造工艺兼容性好，易于工程推广。

24、3、本发明引入数据驱动的代理模型，能够快速、准确地预测大量排列方式的力学性能，大幅减少对有限元仿真的依赖，显著提升设计效率。

25、4、本发明基于代理模型实现逆向设计，可针对任意指定的目标力学性能搜索最优空间排列方案，实现了力学性能的按需定制设计，满足了工程应用中对点阵结构性能多样化的需求。

26、5、本发明具有通用性，适用于不同胞元构型、不同相对密度组合以及不同编码维度，可广泛应用于航空航天、汽车轻量化、生物植入体等领域的点阵结构设计。

1.一种具有可调节力学性能的双相点阵结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述软相和硬相由同一种单一材料制成。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述软相为弯曲主导变形机制的点阵胞元，所述硬相为拉伸主导变形机制的点阵胞元，软相胞元和硬相胞元具有相同的胞元尺寸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，软相与硬相通过隐式函数建模，公式如下：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1中，软相与硬相的连接方式采用二元函数实现无缝连接，公式如下：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s2中，所述二元编码为0/1编码形式，其中0或1分别代表软相或硬相。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中，所述力学性能通过准静态压缩仿真获得，并以应力-应变曲线形式记录。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中，所述数据集中按7:3的比例划分为训练集和验证集。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s4中，所述代理模型为深度神经网络。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s5中，基于训练完成的代理模型，预测设计空间内所有可能的软硬相排列组合的力学性能，以预测性能与目标性能之间的均方根误差最小化为准则，筛选出最优软硬相排列组合方式。