拓扑优化结合增材制造的TPMS晶格结构力学性能与能量吸收特性研究

为解决轻量化高强工程材料的设计难题，研究人员结合拓扑优化(TO)与增材制造(AM)技术，系统研究了三周期极小曲面(TPMS)晶格结构中孔隙形状对力学性能与能量吸收效率的影响。通过设计周期性（三角形、圆形、矩形）与非周期性混合结构（如CCTT、TTRR等），结合均质化方法与有限元分析，发现圆形孔隙结构在杨氏模量（最高10.973 GPa）、抗压强度（215.823 MPa）和能量吸收效率（比三角形高9.96%）方面表现最优。该研究为航空航天、生物医学等领域的轻量化结构设计提供了重要理论依据。

　　

在工程材料领域，轻量化与高强度的矛盾始终是设计难题。传统晶格结构虽能通过多孔设计减轻重量，但孔隙形状对力学性能的影响机制尚不明确。尤其在三周期极小曲面（TPMS）结构中，如何通过拓扑优化实现性能调控，成为学术界和工业界关注的焦点。

青岛大学机电工程学院的研究团队在《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》发表研究，创新性地将拓扑优化(TO)与增材制造(AM)技术结合，系统探索了TPMS晶格结构的孔隙形状效应。研究人员采用6061铝合金，通过应力最小化的拓扑优化目标，设计出圆形、三角形和矩形三种基础孔隙单元，并衍生出CCTT、TCCT等六种非周期性混合结构。关键技术包括：基于Abaqus的应力约束拓扑优化、nTopology单元阵列设计、均质化法计算等效弹性模量，以及SLM（选择性激光熔化）3D打印制备样品。

2.1 拓扑优化原理与结果

通过P-范数聚合策略优化最大应力，获得体积分数为0.6-0.8的圆形孔隙TPMS结构。优化后的单元呈轴对称分布，阵列后试样尺寸为20 mm×20 mm×20 mm。

2.2 孔隙形状扩展设计

基于等面积原则将圆形孔隙替换为三角形和矩形，构建混合单元。均质化分析显示圆形孔隙单元各向异性指数θ最低（3.567），优于三角形（4.516）和矩形（4.529）。

3. 压缩实验验证

有限元模拟与实验结果表明，圆形孔隙结构在弹性阶段斜率最大，杨氏模量比三角形高9.8%。非周期性结构中TCCT综合性能最佳，但周期性结构整体更优。

4.3 能量吸收特性

圆形孔隙的比吸能(SEA)达132.086 MJ/m³，比三角形高9.96%。应力分布分析表明，圆形孔隙能有效缓解应力集中，而三角形孔隙因尖角易引发早期裂纹。

该研究证实，通过控制TPMS孔隙形状可优化力学性能与能量吸收特性。圆形孔隙结构展现出最优的刚度-重量比，为卫星载荷支撑结构等应用提供了新思路。值得注意的是，增材制造过程中的几何缺陷可能影响实际性能，未来需结合温度场分析进一步探索。论文成果对航空航天领域的轻量化设计具有重要指导意义。