具有宏观自适应填充的TFB协作微晶格结构的轻量化优化

《Journal of Alloys and Compounds》：Lightweight Optimization of TFB Collaborative Microlattice Structure with Macro-Adaptive Filling

本研究提出新型TFB晶格结构，通过有限元模拟和实验验证，相比传统BCC晶格，弹性模量提升38.7%，屈服强度45.7%，峰值应力58.5%。冲击下仅局部损伤，能量耗散效率显著。结合应力分布驱动的变密度填充，成功应用于悬挂架（减重11.13%，应力降52.8%）和连杆（减重6.5%，应力降45.7%），实现轻量化与高承载协同优化。

　　本研究引入了一种新颖的基于切线函数的晶格结构（Tangent-Function Basis, TFB），通过结合有限元模拟和实验验证，系统评估了该结构在均匀和变密度填充配置下的机械性能，并将其与传统的体心立方（Body-Centered Cubic, BCC）晶格进行了对比。研究结果表明，在压缩载荷下，TFB结构相较于BCC结构表现出显著的性能提升。具体而言，TFB结构的弹性模量提高了38.7%，屈服强度提高了45.7%，峰值压缩应力提高了58.5%。这些数据表明，TFB结构在机械性能方面具有明显的优势。

在冲击阻力方面，当结构受到3.5 m/s的冲击速度时，TFB夹芯结构仅表现出局部的压缩损伤。通过对载荷-时间曲线的分析可以确认，该结构能够通过塑性变形有效耗散冲击能量，从而延迟结构失效。在基于应力分布驱动的变密度填充策略下，TFB设计在承载支架中实现了11.13%的重量减轻，同时最大应力降低了52.8%。相比之下，均匀填充的BCC设计在相同条件下性能较低。对于发动机连杆，TFB设计同样实现了6.5%的重量减轻和45.7%的最大应力降低。这些结果表明，TFB晶格结构在结合变密度设计后，能够实现多尺度机械性能的协同优化，为具有高承载能力和优异冲击抵抗能力的轻量化结构开发提供了一种有前景的新方法。

在晶格结构的宏观与介观多尺度设计中，研究者们正在探索如何通过系统地调整微结构配置来扩展设计自由度并提升结构性能。这种设计方法的核心在于在宏观尺度上优化材料分布，同时在介观尺度上设计单元结构的形态，从而实现创新并达到性能突破。目前的研究主要集中在提高晶格结构的承载能力上，但实际应用中，结构在不同区域往往面临不同的应力状态。因此，基于单一单元结构配置的优化方法难以满足复杂载荷条件下的需求。

为了解决这一问题，研究者们提出了多尺度协同优化策略，将宏观结构与微观晶格配置相结合。例如，Panesar等人[1]采用变密度方法，使BCC/DP（双金字塔）单元结构的刚度提高了约40%。Zhong等人[2]系统回顾了现有的晶格结构设计方法。在热绝缘应用方面，Ali等人[3]采用多尺度设计方法，开发了具有高热传导性能的轻量化结构。Kato等人[4]则优化了多材料微结构以提升散热性能，而Da等人[5]则专注于优化高热传导性能的多孔结构。Zhou等人[6]和Coelho等人[7]分别独立实现了和优化了晶格结构的宏观-微观协同设计。Wang等人[8]研究了FCCZ（面心立方与锯齿连接）晶格的变形机制和应力集中特性。Lin[9]基于三重周期性最小曲面（Triply Periodic Minimal Surface, TPMS）结构，实施了一种从宏观到微观的多尺度设计，显著提升了梁结构的刚度。Cibrario等人[10]结合了微观和宏观尺度分析，采用均质化方法评估了结构的机械性能。Tong等人[11]引入了一种分层多尺度设计方法。Tan等人[12]展示了仿生多尺度架构在机械性能优化中的潜力，而Chu等人[13]则将水平集方法与密度方法结合，优化了涂层-晶格复合结构。

多尺度集成结构在静态、动态和多物理场中表现出优异的性能，如热绝缘、噪声减少和能量吸收等，其在航空航天工程[14]中有广泛的应用。例如，Wang等人[15]开发的晶格-实体混合结构相比传统设计实现了20.3%至55.5%的刚度提升。Zhang等人[16]提出了一种用于卫星设备的动态拓扑优化策略，实现了32%的重量减轻，同时满足了热-机械协同设计的要求。研究者们对基于应力的能耗特性[17]、变形机制[18]、仿生梯度分层配置[19]以及填充此类晶格的薄壁结构的抗冲击性能[20]进行了系统研究。Jiang等人[21]设计了一种新型的晶格结构，集成了减震和能量吸收功能。Wang[22]和Chen等人[23]分别验证了超低密度交叉-螺旋结构和特定低密度配置的高效能量吸收能力。Wang等人[24]研究了低密度壳体晶格结构的显著抗断裂性能，而Zheng等人[25]开发了一种微结构化超材料，在超低密度下仍能保持恒定刚度。此外，参数研究被用于探索晶格结构的可调特性[26]、机械性能[27]、能量吸收机制和变形行为[28]，并深入研究了晶格夹芯结构的机械响应和失效机制[29]。

通过增材制造技术[30]制造的新型超材料显示出在减重方面的巨大潜力。Wang等人[32]通过设计非周期性桁架晶格结构，实现了高强和高韧性的结合。Wang[33]、Wan[34]和Li[35]分别研究了填充晶格结构的抗冲击性能、抗撞性能和低速能量吸收特性。在后续研究中，Wang等人[36]揭示了轻量化晶格超材料中桁架屈曲行为对断裂能的影响机制；Luo等人[37]成功利用基于TPMS的桁架-壳体晶格设计调控了变形机制；而Namdeo等人[38]则系统研究了增强的四面体晶格结构的机械行为和失效模式。Raj等人[39]通过一种晶格-回弹桁架混合设计显著提升了结构刚度和单位能量吸收能力，而Song等人[40]则优化了双材料晶格结构的断裂能阈值。

近年来，晶格结构的研究突出了三角函数和仿生设计在提升机械性能方面的潜力。Yuan等人[41]证明，基于余弦函数单元的金属晶格在准静态压缩下表现出更好的能量吸收能力，为细胞材料的几何创新建立了基准。Li等人[42]则揭示了基于余弦函数的晶格核心在低速冲击下的损伤机制和能量耗散能力，强调了其在动态载荷场景中的实用性。进一步扩展功能梯度的概念，Zhang等人[43]报告了在弯曲载荷下，填充仿生梯度晶格的复合管具有显著增强的能量吸收能力，突出了密度梯度与结构性能之间的协同效应。在此背景下，本文提出的新型切线函数基晶格结构在性能上显著优于传统的BCC晶格结构。当与应力驱动的密度梯度相结合时，TFB设计能够实现轻量化与机械性能的协同优化，代表着对当前三角函数和梯度晶格架构的一种重要改进。

综上所述，晶格结构的多尺度设计有助于实现宏观结构与介观结构配置的协同整合。这种方法不仅能够实现重量减轻，还能提升机械和热性能，并在复杂运行条件下显著增强结构可靠性。作为一种核心的方法论框架，它推动了新型材料和前沿制造技术的发展，从而促进了航空航天和工业领域持续的技术演进。