梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法及其系统，其中所述增材制造方法包括：获取梯度泡沫材料的尺寸数据；设置梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型；根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；根据轴向梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。通过本发明专利技术能够制备梯度变化既连续又可控的泡沫材料。沫材料。沫材料。

【技术实现步骤摘要】
梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法及其系统


[0001]本专利技术涉及泡沫材料和增材制造
，尤其涉及一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法及其系统。

技术介绍

[0002]泡沫材料作为吸能材料的典型代表，具有轻质、高比刚度、高比强度的特点，因此广泛应用于缓冲吸能、冲击防护领域，在航空航天、轨道交通、土木建筑、石油化工等行业备受青睐。在冲击防护的历程中，泡沫材料一方面可以降低冲击力的峰值载荷，使其降低至人体耐受极限以内，另一方面可以通过自身的大塑性变形延长冲击的作用时间，使载荷脉宽变长，降低冲量。然而实际的应用场景呈现复杂多变的加载条件，单一均质的泡沫材料难以满足特定的冲击防护需求。例如，在高速冲击下，均质泡沫材料遭受冲击的冲击端受到惯性效应的作用，其应力明显高于远离冲击的支撑端应力，二者的差值与冲击速度密切相关。
[0003]为了满足人为调控的需求，梯度泡沫材料应运而生，它可以针对性地调节冲击端和支撑端地应力水平，相较于均质泡沫，不仅可调节性强，而且由于梯度构型的泡沫材料变形更彻底，在能量吸收上也呈现一定优势。
[0004]综上所述，目前尚无法制备梯度变化既连续又可控的泡沫材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法及其系统，以解决现有无法制备梯度变化既连续又可控的泡沫材料的问题。
[0006]根据本专利技术实施例提出一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法，其包括：获取梯度泡沫材料的尺寸数据；设置梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型；根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；根据轴向梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。
[0007]其中，所述梯度分布构型包括以下类型的梯度函数：单调线性梯度函数、单调非线性梯度函数、非单调线性梯度函数、非单调非线性梯度函数。
[0008]其中，根据以下参数计算所述梯度泡沫材料的胞元尺寸：梯度泡沫材料的胞元所对应的高度数值、梯度泡沫材料的高度数值、梯度率。
[0009]其中，所述生成多个胞元核心点的坐标，包括：根据所述梯度泡沫材料的尺寸数据构建三维有限体积单元，在该三维有限体积单元中置入数量为N的胞元核心点，其中新生成的胞元核心点需符合以下规则：新胞元核心点和已有胞元核心点的距离大于给定距离；该给定距离小于任意两个胞元核心点的距离；该给定距离与任意两个相邻胞元核心点的距离的比值为预设值。
[0010]其中，该给定距离与任意两个相邻胞元核心点的距离的比值为0.8。
[0011]其中，所述根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，包括：根据所述多个胞元核心点的坐标向外扩张形成具有细观胞元构型的梯度泡沫材料的片体模型，包括：所述多个胞元核心点分别以自身为中心并以相同的速度向外扩张，当以每个胞元核心点为中心的十四面体胞元接触到其周围的十四面体胞元时，扩张过程结束；将所述梯度泡沫材料的片体几何模型转变为实体几何模型。
[0012]其中，所述将所述梯度泡沫材料的片体几何模型转变为实体几何模型，包括：将所述梯度泡沫材料的片体几何模型的多个胞壁平面沿其法线的正方向和反方向各平移预定距离，并将平移后的两个平行的面的对应节点相连，使其组成多边形棱柱。
[0013]其中，在建立梯度泡沫材料的几何模型之后，所述方法还包括：计算所述胞元核心点与该胞元的多个胞壁节点的距离的平均值，作为该胞元的胞元尺寸；将该胞元的胞元尺寸分布与所述胞元尺寸梯度函数分布进行对比，判断实际模型的胞元尺寸分布是否符合预先设计的梯度函数分布。
[0014]其中，所述方法还包括：对所述实体几何模型进行切片处理。
[0015]根据本专利技术实施例还提出一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造系统，其包括：数据获取模块，用于获取梯度泡沫材料的尺寸数据；梯度分布构型设置模块，用于设置所述梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型；胞元核心点生成模块，用于根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；几何模型建立模块，用于根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；增材制造模块，用于根据所述梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。
[0016]根据本专利技术的技术方案，具有以下效果至少之一：
[0017](1)通过预先设置梯度函数，制备出的梯度泡沫材料的梯度构型分布满足预先设计的梯度函数，从而可以定量化地验证已有的关于梯度泡沫材料的相关理论模型。
[0018](2)所制备的梯度泡沫材料的胞元尺寸按照预先设计的梯度函数实现连续变化，从而实现密度梯度分布的连续变化，即不存在明显的间断面。
[0019](3)最终制备试样的几何构型与预先设计试样的几何构型一致，可利用预先设计的试样的几何文件进行有限元素法仿真计算，用最终制备的试样进行实验测试，从而实验结果和有限元素法仿真结果可以有效对比，随后利用有限元素法仿真分析突破实验条件的限制，例如冲击工况、加载速度、外在环境场等，研究当前实验条件无法满足的情况。
附图说明
[0020]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0021]图1是根据本专利技术实施例的梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法的流程图；
[0022]图2是根据本专利技术实施例的预先设计的胞元尺寸梯度函数分布图，其中图2(a)对应单调线性梯度函数，图2(b)对应单调非线性梯度函数，图2(c)对应非单调线性梯度函数，图2(d)对应非单调非线性梯度函数；
[0023]图3是根据本专利技术实施例的按照预先设计的胞元尺寸梯度函数生成的胞元核心点的分布图，其中图3(a)对应单调线性梯度函数，图3(b)对应单调非线性梯度函数，图3(c)对应非单调线性梯度函数，图3(d)对应非单调非线性梯度函数；
[0024]图4是根据本专利技术实施例的按照预先设计的胞元尺寸梯度函数生成的片体几何模型图，其中图4(a)对应单调线性梯度函数，图4(b)对应单调非线性梯度函数，图4(c)对应非单调线性梯度函数，图4(d)对应非单调非线性梯度函数；
[0025]图5是根据本专利技术实施例的预先设计的胞元尺寸梯度函数分布与实际模型的胞元尺寸分布的对比图，其中图5(a)对应单调线性梯度函数，图5(b)对应单调非线性梯度函数，图5(c)对应非单调线性梯度函数，图5(d)对应非单调非线性梯度函数；
[0026]图6是根据本专利技术实施例的按照预先设计的胞元尺寸梯度函数生成的实体几何模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度变化连续可控的泡沫材料的增材制造方法，其特征在于，包括：获取梯度泡沫材料的尺寸数据；设置梯度泡沫材料的胞元尺寸的梯度分布构型；根据所述梯度分布构型、以及所述梯度泡沫材料的尺寸数据生成多个胞元核心点的坐标，其中新生成的胞元核心点的位置与已有的胞元核心点的位置相关；根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，其中每个胞元均具有十四面体结构；根据所述梯度泡沫材料的几何模型进行增材制造。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述梯度分布构型包括以下类型的梯度函数：单调线性梯度函数、单调非线性梯度函数、非单调线性梯度函数、非单调非线性梯度函数。3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，根据以下参数计算所述梯度泡沫材料的胞元尺寸：梯度泡沫材料的胞元所对应的高度数值、梯度泡沫材料的高度数值、梯度率。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成多个胞元核心点的坐标，包括：根据所述梯度泡沫材料的尺寸数据构建三维有限体积单元，在该三维有限体积单元中置入数量为N的胞元核心点，其中新生成的胞元核心点需符合以下规则：新核胞元心点和已有核胞元心点的距离大于给定距离；该给定距离小于任意两个胞元核心点的距离；该给定距离与任意两个相邻胞元核心点的距离的比值为预设值。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该给定距离与任意两个相邻胞元核心点的距离的比值为0.8。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多个胞元核心点的坐标建立具有细观胞元结构的轴向梯度泡沫材料的几何模型，包括：根据所述多个胞元核心点的坐标向外扩张形成具有细观胞元构型的梯度泡沫...

【专利技术属性】
技术研发人员：段宇，石霄鹏，杜冰，赵先航，侯兵，李玉龙，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：