(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211120160.0 (22)申请日 2022.09.15 (71)申请人 武汉理工大 学 地址 430070 湖北省武汉市洪山区珞狮路 122号 (72)发明人 徐峰祥　徐智钊　邹震　牛小强　 (74)专利代理 机构 湖北武汉 永嘉专利代理有限 公司 42102 专利代理师 胡琳萍 (51)Int.Cl. G16C 60/00(2019.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 113/26(2020.01) (54)发明名称 一种厚度连续变化蜂窝结构及其参数化设 计方法 (57)摘要 本发明提供了一种厚度连续变化蜂窝结构 及其参数化设计方法， 其特征在于： 包括多个单 胞结构， 每个单胞结构形状相同且外边长相等， 单胞相对密度基于结构的拓扑优化密度信息、 采 用反距离加权平均法映射得到， 结构参数化设计 流程包括设定整体结构尺寸、 相对密度、 蜂窝胞 元尺寸及拓扑微单元尺寸， 以两种单元分别对结 构进行离散， 记录每个胞元和拓扑微单元的中心 坐标， 由胞元与拓扑微单元的距离关系和拓扑微 单元相对密度计算胞元的相对密度和内边长度， 生成胞元模 型并循环上述过程。 本发 明设计的厚 度连续变化蜂窝结构具有良好的结构力学性能 提升效果， 在受载时相对于所有胞元相对密度相 等的均质蜂窝结构， 能够显著提升结构压缩力效 率， 具有更优异的吸能 能力。 权利要求书1页 说明书7页 附图5页 CN 115497582 A 2022.12.20 CN 115497582 A 1.一种厚度连续变化蜂窝结构， 其特征在于： 包括多个呈现蜂窝多边形形状的单胞结 构或胞元， 每个单胞结构形状相同且各边均由外边和内边夹合厚度壁构成； 单胞结构的外 边长度相等， 内边长度连续变化， 使得 单胞结构的厚度呈现连续变化状态。 2.根据权利要求1所述的厚度连续变化蜂窝结构， 其特征在于： 单胞结构的相对密度和 内边长度由单 胞结构与拓扑微单 元的距离关系和拓扑微单 元相对密度计算得到 。 3.根据权利要求1所述的厚度连续变化蜂窝结构， 其特征在于： 所述单胞结构形状为 圆 形、 正三角形、 矩形、 正六边形中的一种。 4.根据权利要求1所述的厚度连续变化蜂窝结构， 其特征在于： 所述厚度连续变化蜂窝 结构由冲压、 挤压或3D打印成型 方式中的至少一种制成。 5.根据权利要求1所述的厚度连续变化蜂窝结构， 其特征在于： 厚度连续变化蜂窝结构 的制备材料为光敏树脂或金属AlSi10 Mg。 6.一种厚度连续变化蜂窝结构参数化设计方法， 其特 征在于包括如下步骤： 步骤1： 首先设定蜂窝结构的长度、 宽度及高度、 相对密度、 胞元或单胞结构的设计参数 及拓扑微单 元尺寸； 步骤2： 对蜂窝结构按照胞元和拓扑微单元两种结构形式分别进行离散， 记录每个胞元 和拓扑微单 元的中心坐标； 并计算胞 元与拓扑微单 元之间的距离； 步骤3： 由胞元与拓扑微单元的距离关系、 拓扑微单元相对密度， 计算胞元的相对密度 和内边长度， 生成胞 元模型并循环上述过程。 7.根据权利要求6所述的厚度连续变化蜂窝结构参数化设计方法， 其特征在于步骤3采 用反距离加权平均法， 由距离计算每个拓扑微单元对胞元 的影响的映射函数； 针对下端固 定上端受压情况修改边界条件， 实施拓扑优化算法得到拓扑微单元相对密度； 由拓扑微单 元相对密度和映射 函数计算得到胞 元映射密度或相对密度。 8.根据权利要求7所述的厚度连续变化蜂窝结构参数化设计方法， 其特征在于步骤3的 反距离加权平均法规则为： 与胞元距离越小的拓扑微单元拓扑微单元， 对胞元相对密度的 权重影响越大。 9.根据权利要求6所述的厚度连续变化蜂窝结构参数化设计方法， 其特征在于步骤3设 置针对下端固定上端受压情况设置边界条件， ， 实施拓扑优化算法后得到拓扑微单元 的相 对密度分布图和拓扑微单 元相对密度。 10.根据权利要求6所述的厚度连续变化蜂窝结构参数化设计方法， 其特征在于当胞元 为圆形时， 所述圆形单胞结构设计参数包括相对密度、 内半径和外半径； 当胞元为正三角 形、 矩形、 正六边形时， 单 胞结构设计参数包括相对密度、 内边长度和外边长度。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115497582 A 2一种厚度连续变化 蜂窝结构及其参数化 设计方法 技术领域 [0001]本发明涉及多孔材料结构创新构型领域， 尤其涉及一种厚度连续变化蜂窝结构及 其参数化设计方法。 背景技术 [0002]结构研究领域， 拓扑优化的定义是： 根据给定目标， 在一定设计空间内， 在一定载 荷条件和工艺要求下， 确定结构内材料 的相互连接方式， 使结构的某种或某些性能指标达 到最优。 [0003]拓扑优化的方法主要包括均匀化方法， 变密度法， 水平集法和渐进优化法等。 其中 变密度法设计变量少， 研究成熟， 应用广泛， 其主要思路是将整个结构设计域离散成单元模 型， 引入一种可变材料密度的概念化材料， 控制单元材料密度在0 ‑1之间分布， 设置单元的 相对密度值作为设计变量， 通过迭代 算法， 得到每个单元的材料分布情况， 即设计域内材料 的最优分布路线， 如此实现整体结构的材料最优分布。 Sigmund使用Matlab软件， 编写了99 行基于固体各向同性惩罚微结构SIMP模型的拓扑优化程序， 求解静态加载情况下， 结构柔 度最小的单 元相对密度分布。 [0004]拓扑优化问题可以描述为： 在给定体积约束的条件下， 使目标结构柔度最小， 寻求 此时最优的单 元密度分布。 基于SIMP变密度法的拓扑优化模型 可以描述 为： [0005] [0006]其中， P是载荷向量， U是位移向量， K是总体刚度矩阵； ke为单元刚度矩阵， x为密度 矩阵， 由拓扑优化的微单元密度xi组成， 单元总数为N， V0是结构体积的约束上限。 求解优化 模型可以得到体积约束下 的密度矩阵， 由密度矩阵即可获得微单元密度分布。 拓扑优化会 产生灰度单元， 即优化结果中密度处于0到1之 间的单元， 但是事实上， 工程中并不存在中间 密度的材料。 因此， 工程中常用方法是在材料模型中引入惩罚函数Ei， 对中间密度单元的相 对密度设计变量进行惩罚， 使单元密度逼近0或1， 从而使结构优化的结果呈现较好的边界 性。 对于SIMP模型， 其 惩罚函数 可以表示 为： [0007]Ei＝xipE0   (2) [0008]式中， Ei表示第i个蜂窝胞元的弹性模 量， E0是相对密度为1时胞元的弹性模 量， p为 惩罚系数。 [0009]然而， 灰度单元是按优化模型计算得到的直接结果， 是反映了理论上最优的结果， 只是这种结果不利于实际工程的生产制造， 因此如何充分利用灰度单元信息的同时保证结 构的可制造性成为研究的难题。说　明　书 1/7 页 3 CN 115497582 A 3