上海交大、南理工与皇家墨尔本理工合作突破：实现力学超结构位移场精确控制
上海交大、南理工与皇家墨尔本理工合作突破：实现力学超结构位移场精确控制
近日，上海交通大学、南京理工大学和皇家墨尔本理工大学在力学超结构位移场控制方面取得重要突破。研究团队提出了一种基于TPMS的异构超结构设计方法，能够在保持整体结构刚度的同时，精确控制局部区域的位移。该研究成果发表在国际知名期刊《Thin-Walled Structures》上。
材料的微观结构对其性能和功能至关重要。力学超结构利用形式与功能之间的关系，能够实现宏观上优越的机械性能，如高比刚度、高比强度和增强的冲击能量吸收，并表现出负泊松比和负刚度等特性。具有定制机械性能的轻质结构在航空航天、汽车和土木工程等各个工程领域受到高度追捧。力学超结构及其复杂的微观结构设计为实现这些所需性能提供了一条有前途的途径。然而，为特定应用设计超结构，特别是那些需要精确控制局部变形（位移场）同时保持整体刚度的应用，仍然是一个重大挑战。
研究团队聚焦于TPMS超结构的研究，这是一种人工仿生多孔结构。首先对于异构TPMS单元结构进行了研究，利用相对密度、结构、旋转等物理信息实现力学性能可控的TPMS结构设计。其次利用可控位移场约束下的结构刚度优化算法，实现了特定局部区域的位移控制。
图 1. 方法概述。
研究团队利用相对密度、结构、旋转这三个参数实现了TPMS结构的性能定制设计，通过结构几何参数的改变大大扩展了结构的刚度性能空间，实现单元结构和宏观结构的可控位移设计。
图 2. 可控位移场的异质TPMS晶格设计。
图 3. 可控位移场的异构TPMS过渡设计。
文章提出了一种带权重的拓扑优化方法，具有多变量的优化参数特征，以适应对特定区域的位移控制。该方法利用权重的调整，着重考虑特定区域的位移设计，相较于传统拓扑优化具有更好的设计结果。
图 4. 具有受控位移场约束的结构刚度优化方法。
研究结果显示，通过对特定区域的位移控制，大大减小了特定区域的变形量，相较于均匀TPMS结构填充的超结构，单轴压缩位移减少42.51%，双轴压缩位移减少31.32%。利用所构建的设计方法，研究团队对边长400 mm的正六边形板形状卫星单板进行了构型设计，其中结构设计相对密度保持0.2不变，相较于传统的填充方法，在孔洞内部元器件的位移平均减少了70.12%，大大提高了卫星元器件的稳定性。
图 5. 两种工况下薄方板不同填充策略下的结果比较。
图 6. 卫星结构部件设计与分析。
该研究提出了一种基于TPMS的异构超结构设计方法，以优化结构刚度并精确控制位移场。通过多参数调制，包括相对密度、结构参数和旋转角度，显着扩展了力学性能的响应空间。这种方法为机械超材料的设计提供了一条新颖的途径。结果表明，与传统的结构优化方法相比，该方法可以在保持宏观结构刚度的同时实现特定局部区域的较低位移，这对于保护卫星结构系统中的关键易损部件至关重要。在单轴和双轴压缩条件下，所提出的优化策略分别实现了最大位移减少42.51%和31.32%，显着增强了结构的防护性能。对于卫星结构部件，优化设计实现了位移减少70%，证明了该方法的实际适用性。
原始文献：
Ji Z, Li D, Xie Y M, et al. Design and Optimization of TPMS-based Heterogeneous Metastructure for Controllable Displacement Field[J]. Thin-Walled Structures, 2024: 112784.