根据3D科学谷的市场洞察，国内近期关于多孔结构在多尺度等几何拓扑优化、力学行为、吸能特性以及特殊性能（如负泊松比）设计方面的最新研究进展，对于航空航天、信息电子等领域的应用具有重要意义。
本期，通过节选近期国内在点阵多孔材料方面的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析
”
3D科学谷洞察
“ 增材制造点阵多孔结构的发展趋势指向了更复杂和多样化的几何形状制造，点阵结构的性能优化、新型金属材料体系的开发以及多孔材料的定向化合成。这些进展为多孔结构在航空航天、电子、生物医学、能源环境等领域的应用提供了新的可能性。”
面向散热性能的多孔结构
多尺度等几何拓扑优化
黄明喆1,2肖蜜1,2刘喜亮1,2沙伟1,2周冕1,2高亮1,2
1.华中科技大学国家智能设计与数控技术创新中心2. 华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室
摘要：
多孔结构具有轻质、散热快等特点，在航空航天、信息电子等领域应用广泛，提出了一种面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化方法。在微观尺度，采用水平集函数描述三周期极小曲面点阵的几何构型，构建了Kriging元模型，预测点阵的宏观等效热学属性，从而降低计算成本；在宏观尺度，以最小散热柔度为目标，建立了多孔结构的多尺度拓扑优化模型，引入等几何分析提高了结构性能分析的计算精度，结合等几何映射技术开展了非规则几何结构的多尺度拓扑优化设计，避免了非规则设计域中点阵裁剪导致的几何特征缺损等问题；最后，通过数值算例验证了所提出方法的有效性。
结果表明，提出方法可实现非规则几何结构的散热性能优化设计，优化得到的轻质梯度多孔结构具有较好的散热性能，在实际工程中具有广阔的应用前景。
基于MJF的极小曲面
结构力学行为及吸能特性研究
肖江海、侯俊玲、李群
机械结构强度与振动国家重点实验室、西安交通大学航天航空学院
摘要：
极小曲面结构是一种表面连续光滑的曲面多孔结构，具有低密度、高强度以及优良的减震吸能等特性，在航空航天、汽车工业、机械装备等领域的结构轻量化设计方面，具有广泛的应用前景。
本课题采用多射流熔融（MultiJet Fusion，MJF）增材制造技术，结合参数化建模方法，以尼龙PA12为原料制备了体积分数同为20%的3种极小曲面多孔结构（G曲面、P曲面、D曲面）。利用准静态压缩试验和数值模拟，分析了不同极小曲面结构的力学响应和吸能特性。
研究发现：在力学响应方面，3种极小曲面的平台名义应力分别为4.0MPa、2.1MPa和4.75MPa，明显高于相同体积分数下BCC点阵结构的平台名义应力（2.0MPa），具有更好的承载能力；在吸能方面，G曲面、P曲面和D曲面的单位体积吸能量近似可达BCC点阵结构的7倍、4倍、8倍。综上所述，与传统BCC点阵结构相比，MJF增材制造工艺制备的极小曲面结构能够更好的分散压力，减少应力集中，表现出优异的力学性能和吸能特性，具有非常好的应用前景。
射流熔融3D打印
桁架点阵结构的力学性能研究
王轩玉1李楠1,2乌日开西·艾依提1贾儒1
1.新疆大学机械工程学院2. 东莞理工学院
摘要：
通过组合叠加方法设计了七种桁架胞元构型，并采用射流熔融(Multi Jet Fusion, MJF)3D打印技术制备具有相同孔隙率的点阵结构试样，通过单轴压缩实验和有限元模拟，分析不同点阵结构的力学性能、变形模式及吸能能力。研究发现，七种结构在压缩过程中都经历了线弹性阶段、平台应力阶段和致密化阶段，其中以弯曲为主导型的SBO型点阵结构变形过程相对平稳，其平台应力(σpl=2.76 MPa)和平台应变区间长度(23%～72%)高于其他点阵结构，累积吸能值达到702 J/mm3,表现出优异的力学性能和吸能能力。
结构参数对选区激光熔化成形
AlSi10Mg金刚石点阵结构拉伸性能的影响
吴鸿飞、王国伟、沈显峰、杨家林、王晨光、陈金明
中国工程物理研究院机械制造工艺研究所
摘要：
选区激光熔化制备金属点阵结构由于具有结构设计自由度大、成形零件具有轻量化、缓冲吸震、隔热散热等优势在航空航天等领域具有广泛的工程应用前景。随着应用的不断拓展，对点阵结构的拉伸性能也提出了要求。通过有限元模拟，研究了金刚石单元结构参数对Al Si10Mg点阵结构拉伸性能的影响，并进行了试验验证。
结果表明：所设计的点阵结构成形效果较好，具有稳定的力学性能；支杆杆径和孔隙率对点阵结构抗拉强度存在显著影响；随着支杆长径比的减小，点阵结构应力集中区域由节点处向支杆中间位置移动，长径比在1.4左右时点阵结构具有较为均匀的应力分布；在点阵结构外层包裹薄壳结构，可使点阵结构整体应力分布更为均匀。试验与仿真结果相吻合，可通过有限元方法对点阵结构的拉伸性能和变形失效方式进行有效预测。
增材制造自支撑点阵-实体
复合结构拓扑优化方法
云峰1,2王有治1,2宋娇1,2耿磊1,2张乘虎3刘继凯3
1.内燃机可靠性国家重点实验室2. 潍柴动力股份有限公司3. 山东大学机械工程学院
摘要：
随着先进设计概念和增材制造技术的发展与革新，多尺度结构的设计及制造在学术界被广泛研究。点阵-实体复合结构兼具轻量化、高性能、多功能属性，展现了巨大的应用前景和科研价值。为此，提出了一种增材制造自支撑点阵-实体复合结构拓扑优化方法，通过建立一套创新的层级材料插值模型，分别定义了自支撑单元密度和单元内点阵单胞-实体材料的相对密度。
其中，对自支撑单元密度进行增材制造滤波以实现结构的增材制造自支撑特性，利用计算均化方法及多项式插值，对点阵单胞-实体材料的等效刚度进行了点阵域-实体域统一插值，以此实现优化过程点阵-实体的无缝双向切换。
最后，通过数值计算案例对所建立算法的有效性和先进性进行了论证，结果表明，自支撑的点阵-实体复合结构在力学承载能力上优于传统的单一尺度自支撑拓扑优化结果。
不连续十字型
点阵夹层结构的隔声性能
杨青苗1王文胜1,2,3张云豪1
1.河南科技大学工程力学系2. 机械装备先进制造河南省协同创新中心3. 工业装备结构分析国家重点实验室
摘要：
点阵夹层结构具有低密度、高比强度、高比刚度等优异特性，其基本周期单元之间存在较大的空间，具有很好的流通性，因此在隔声、降噪、传热、抗冲击和吸能等方面有很大的潜力。
本课题针对不连续十字型点阵夹层板单胞结构开展隔声性能分析，应用理论分析与数值模拟的方法绘制传声损失曲线，结合该结构在周期性边界条件下的振动特性对曲线进行分析，同时研究几何尺寸和材料参数对不连续十字型点阵夹层板结构隔声特性的影响，简要总结参数改变引起传声损失曲线变化的规律，研究结果可为工程实际中隔声结构的选择提供参考。
增材制造三维微点阵材料
力学性能表征与细观优化设计研究进展
肖李军、李实、冯根柱、石高泉、宋卫东
北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室
摘要：
三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料，兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能，是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展，为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件，二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理，进一步开展材料多尺度优化设计，拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用，对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征，分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究，展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.
基于转移脉冲火花放电通道的
金属悬垂结构无支撑熔丝增材成形研究
庄津1段晓明1杨海欧2杨晓冬1
1.哈尔滨工业大学机电工程学院2. 西北工业大学材料学院
摘要：
针对电弧熔丝增材制造过程中高水平热输入带来的成形过程不稳定、微观组织不精细以及拉伸强度较低等问题，提出了一种以脉冲火花放电通道为热源的新型金属增材制造方法，此法火花放电通道形成在エ具电极与金属丝材之间，之后膨胀并转移至工具电极和成形件之间，有效降低了成形过程中的热输入。通过将该法应用于悬垂结构的无支撑成形，以倾斜角为45°的单元杆为研究对象，研究了放电电流、脉冲宽度、脉冲间隔、送丝速度和扫描速度对成形精度和形貌的影响，进而成功实现了倾斜角为0°～90°细长杆及体心立方点阵结构的无支撑增材制造。
梯度极小曲面
点阵结构力学特性研究
杨磊1,2郑浩1张聪1闫春泽2
1.武汉理工大学交通与物流学院2. 华中科技大学材料科学与工程学院
摘要：
基于螺旋(Gyroid)型极小曲面点阵结构，设计包括两种线性渐变和两种矩阵渐变的四种梯度结构，通过实验及有限元分析方法分析了梯度设计对Gyroid型极小曲面点阵结构力学特性的影响．结果表明：通过激光选区熔化制备的样品致密度均在98%以上，具有极高的制备精度和可重复性；压缩实验表明四种梯度结构的变形过程一致，均是结构整体坍塌；与均匀结构对比，梯度结构的弹性模量提高了10%,10%-20%-10%梯度设计结构的累计能量吸收值最大．此外，对结构进行了有限元仿真，结果表明压缩过程中应力集中发生在转角处．
基于球体堆积模型设计的
多胞薄壁结构抗冲击性能研究
胡敬坤、徐鹏、范志强、谭晓丽、李耀宙
中北大学航空宇航院
摘要：
多胞薄壁结构具有优异的缓冲吸能特性被广泛应用于国防工业中的抗冲击结构设计，本文基于体心立方堆积模式的启发，对体心立方结构进行了一系列的改造增强(增加肋板、改变混合结构、改变连接管角度),通过实验和数值模拟研究了模型形态、模型壁厚、连接管角度、冲击速度对其能量吸收和变形模式的影响.
结果表明：在球体中心添加连接肋的结构及体心立方和简单立方相结合的结构其比吸能和平均压溃载荷相较于普通结构分别增长了24%～38%和71%～90%,改造的结构使其拥有更好的承载和能量吸收能力；结构中添加外层球壳结构可以阻碍连接管的破坏坍塌，从而获得更高的能量吸收效率，连接管的角度也会对结构的承载能力造成一定的影响；连接管角度较小时该结构的吸能特性较好，并且连接管吸能特性对速度的变化并不敏感，其他结构组件的吸能特性会随着速度的增大而增大.
一种新的负泊松比
吸能点阵结构设计
申文杰、叶红玲、田福威
北京工业大学材料与制造学部
摘要：
为了获得可实现负泊松比功能的吸能点阵结构,本文采用独立连续映射方法拓扑优化得到轻量化初始构型并结合星形结构设计了负泊松比吸能点阵结构,建立了点阵结构有限元模型并采用ABAQUS有限元软件对其压缩过程进行了数值仿真,分析了点阵结构的变形。随后与星形点阵结构在压缩性能上进行对比,包括压缩吸能性能与负泊松比特性。结果表明:所设计点阵结构拥有更高的吸能平台载荷和更大平台区间,同时兼顾负泊松比特性,但负泊松比效果有所牺牲。本文的研究为负泊松比吸能点阵结构优化设计提供了参考。
点阵结构单元力学性能
及在结构轻量化设计中的应用
申会鹏1,2张天宇1李行雨1韩春阳1郭家宝1
1.河南工业大学机电工程学院2. 河南省超硬磨料磨削装备重点实验室
摘要：
针对特定功能点阵结构实现结构轻量化设计的问题，提出了拓扑优化方法，设计了一种点阵结构单元构型。首先，从实际载荷工况特征出发，构建了初始设计模型，根据拓扑优化思想，设计出了符合力学性能特性的创新点阵结构单元谱；其次，采用有限元分析方法，获取了点阵结构单元的力学性能，提出了以比刚度为指标的单元性能评价方法，得到了点阵结构的力学性能规律；然后，建立了典型点阵结构单元比例试件，进行了力学实验分析，通过实验数据对比，对点阵结构单元性能规律的准确性进行了验证；最后，将点阵结构性能规律应用于汽车发动机连杆的结构轻量化设计中，通过分析汽车发动机连杆的载荷特征来匹配点阵结构单元谱，填充了相应的点阵结构。
研究结果表明：填充后的连杆体积减少了45%，而比刚度提高了90%，验证了点阵结构单元数据库的有效性和实用性。该点阵结构单元数据库能够为复杂零件的结构轻量化设计提供有力的科学依据。
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