【摘 要】
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三维点阵结构具有“轻质”、“高强”的力学特性以及优异的抗冲击和吸能性能,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、医疗等领域的防护结构设计中。本文提出基于三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface,TPMS）的三维薄壁点阵结构,采用试验验证、数值仿真、多目标优化等方法综合研究了TPMS的防护吸能特性,主要研究内容如下:（1）三周期极小曲面结构的防护性能研究。基于TPMS
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三维点阵结构具有“轻质”、“高强”的力学特性以及优异的抗冲击和吸能性能,被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、医疗等领域的防护结构设计中。本文提出基于三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface,TPMS）的三维薄壁点阵结构,采用试验验证、数值仿真、多目标优化等方法综合研究了TPMS的防护吸能特性,主要研究内容如下:（1）三周期极小曲面结构的防护性能研究。基于TPMS拓扑特征,得到四种TPMS三维薄壁点阵结构。采用试验和数值方法研究了不同TPMS结构在轴向冲击下的力学响应,并系统地评估了TPMS结构的吸能性能和承载稳定性。结果发现TPMS结构具有优异的吸能表现,且TPMS的拓扑形式对其承载性能、变形模式具有显著影响。（2）混合三周期极小曲面结构的耐撞性研究。提出一种新颖的混合TPMS拓扑形式的点阵结构的设计方法,运用力学试验以及数值仿真方法对比研究了混合设计前后TPMS点阵结构的力学特性,结果发现混合TPMS点阵结构在能量吸收和承载稳定性方面均有提高,表明混合设计方法是一种提高TPMS结构耐撞性的有效手段。研究了混合TPMS结构与传统蜂窝结构的耐撞性,发现在不同工况下TPMS结构具有更优异的防护性能。最后,基于径向基函数和非支配排序遗传算法开展了混合TPMS结构的最优化参数设计,获得不同应用场景需求下具有最优吸能表现的混合TPMS结构的结构因子和厚度参数。（3）三周期极小曲面柱状填充结构的防护性能研究。由于TPMS结构展示出优异的吸能特性,进一步提出TPMS点阵结构填充方形薄壁结构,研究了TPMS与外部方管的协同作用以及五种TPMS填充结构的耐撞性。发现TPMS与外部方管具有较好的协同作用,使填充结构的吸能提升了13.9%-36.4%。并且,对比研究了填充TPMS和填充泡沫铝结构的耐撞性表现,发现TPMS填充结构的吸能特性和承载稳定性均优于泡沫铝,并探究了TPMS柱状填充结构的材料分布对结构防护性能的影响,从而得到结构的设计参数与耐撞性之间的响应规律。
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