一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法发明专利

专利名称：一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410019827.0

专利申请（专利权）人：哈尔滨理工大学
权利人地址：黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号哈尔滨理工大学

专利发明（设计）人：解宝成,姚荣政,许辰昊,董博雄,侯金廷,吴喜龙

专利摘要：本发明适用于点阵结构技术领域，提供了一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法，所述方法包括：从甲虫前翅微观小梁结构特点出发，通过对甲虫前翅微观小梁结构的相似性分析和提取，提取出主要结构元素和结构机理，根据仿生学原理，通过相似性分析的方法确认，从结构相似度、功能相似度和边界相似度角度对所选元素进行分析；根据甲虫前翅微观小梁结构特点进行结构特征提取与内凹三角形结构融合，建立一个三维宏观的初步仿生甲虫前翅单胞结构，并确立每个元素及其尺寸的范围，用于结构构造和尺寸参数优化；本发明内容：可以提高零件的轻量化程度和吸能性能。

主权利要求：
1.一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法，其特征在于，所述方法包括：
从甲虫前翅微观小梁结构特点出发，通过对甲虫前翅微观小梁结构的相似性分析和提取，提取出主要结构元素和结构机理，根据仿生学原理，通过相似性分析的方法来确认，从结构相似度、功能相似度和边界相似度角度对所选元素进行分析；
根据甲虫前翅微观小梁结构特点进行结构特征提取与内凹三角形结构融合，建立一个三维宏观的初步仿生甲虫前翅单胞结构，并确立每个元素及其尺寸的范围，用于结构构造和尺寸参数优化，所述仿生甲虫前翅单胞结构包括：内凹三角形结构1由正三角形顶部变平，底部有两处向内凹折并向两端延伸出一段形成，将甲虫前翅小梁微观结构的单叶双曲面结构和内凹三角形结构1融合，通过对内凹三角形结构1的上顶面进行对称，形成了具有单叶双曲面形状的二维结构，继而在将二维平面结构围绕竖直中心线进行旋转阵列，生成了具有单叶双曲面形状的仿生甲虫前翅单胞结构2，结构呈现为中心对称，将仿生甲虫前翅单胞结构各端点相连接阵列形成仿生甲虫前翅点阵结构3，所述内凹三角形结构初步参数为：外边长L1取值范围为7.5mm‑9.5mm，内边长L2取值范围为3.5mm‑5.5mm，外边厚T1取值范围为0.8mm‑1.2mm，内边厚T2取值范围为0.6mm‑1mm，上夹角G1取值范围为24°‑36°，下夹角G2＝60°，上边宽N取值范围为2mm‑4mm，下边宽D取值范围为8mm‑10mm；
通过单因素分析法和响应曲面法研究结构参数对初步仿生甲虫前翅单胞结构的吸能性能的影响规律；对初步仿生甲虫前翅单胞结构进行优化设计，得到最优吸能性能的仿生甲虫前翅单胞结构的结构参数；
使用最优吸能性能的仿生甲虫前翅单胞结构的结构参数构建仿生甲虫前翅单胞结构；
将仿生甲虫前翅单胞结构各端点相连接阵列形成仿生甲虫前翅点阵结构。
2.根据权利要求1所述的仿生甲虫前翅点阵结构设计方法，其特征在于，在将仿生甲虫前翅单胞结构进行阵列形成仿生甲虫前翅点阵结构之后，所述方法还包括：通过准静态压缩仿真试验验证仿生甲虫前翅点阵结构的性能；
通过增材制造技术进行仿生甲虫前翅点阵结构制备，并进行准静态压缩试验，验证仿真试验准确性。
3.根据权利要求1所述的仿生甲虫前翅点阵结构设计方法，其特征在于，优化设计后的仿生甲虫前翅单胞结构高H＝16.72mm、宽为W1＝18mm、中部的腰宽为W2＝5mm，外边长L1＝
8.5mm，内边长L2＝4.4mm，外边厚T1＝1mm，内边厚T2＝0.8mm，上夹角G1＝30°，下夹角G2＝
64°，上边宽N＝2.5mm，下边宽D＝9mm。
4.一种应用如权利要求1‑3任一所述的一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法所设计得到的仿生甲虫前翅点阵结构，其特征在于，所述仿生甲虫前翅点阵结构由仿生甲虫前翅单胞结构各端点相连接阵列形成。 说明书 : 一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法技术领域[0001] 本发明属于点阵结构技术领域，尤其涉及一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法。背景技术[0002] 点阵结构不仅具有轻质、机械强度高等优点，而且在一定程度上可制造性好，因此在交通运输、航空航天和装甲防护等领域得到了广泛的应用，点阵结构作为一种特殊的结构形式，为轻量化高吸能等领域提供了新的思路和方法。[0003] 甲虫前翅具有质量小、韧性高、吸能性好、具有较高的抗断裂能力；在宏观上，甲虫前翅是一种弓形的曲面，主要目的是用来保护甲虫柔软的身体；在微观层面上，甲虫前翅是由网格状纤维、内部孔腔、鞘翅腹壁和鞘翅背壁组成的夹心结构；由此从宏观和微观角度可以看出，甲虫前翅结构是一种非常好的生物复合材料，基于此结构研究人员可以得出很多仿生方面的灵感。[0004] 内凹三角形结构当其内凹边受到轴向的载荷时，单胞结构的短边会因为弯曲带动长边发生横向向内收缩偏移，使得结构整体呈现一种负泊松比的特性，且内凹结构在三维化后整体的吸能性将大大的增强；但是当前尚无将内凹三角形结构与甲虫前翅结构组合形成仿生甲虫前翅点阵结构。发明内容[0005] 本发明实施例的目的在于提供一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法，旨在解决背景技术中确定的现有技术存在的问题。[0006] 本发明实施例是这样实现的，一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法，所述方法包括：[0007] 从甲虫前翅微观小梁结构特点出发，通过对甲虫前翅微观小梁结构的相似性分析和提取，提取出主要结构元素和结构机理，根据仿生学原理，通过相似性分析的方法来确认，从结构相似度、功能相似度和边界相似度角度对所选元素进行分析；[0008] 根据甲虫前翅微观小梁结构特点进行结构特征提取与内凹三角形结构融合，建立一个三维宏观的初步仿生甲虫前翅单胞结构，并确立每个元素及其尺寸的范围，用于结构构造和尺寸参数优化；[0009] 通过单因素分析法和响应曲面法研究结构参数对初步仿生甲虫前翅单胞结构的吸能性能的影响规律；对初步仿生甲虫前翅单胞结构进行优化设计，得到最优吸能性能的仿生甲虫前翅单胞结构的结构参数；[0010] 使用最优吸能性能的仿生甲虫前翅单胞结构的结构参数构建仿生甲虫前翅单胞结构；[0011] 将仿生甲虫前翅单胞结构各端点相连接阵列形成仿生甲虫前翅点阵结构。[0012] 优选地，在将仿生甲虫前翅单胞结构进行阵列形成仿生甲虫前翅点阵结构之后，所述方法还包括：[0013] 通过准静态压缩仿真试验验证仿生甲虫前翅点阵结构的性能；[0014] 通过增材制造技术进行仿生甲虫前翅点阵结构制备，并进行准静态压缩试验，验证仿真试验准确性。[0015] 优选地，所述仿生甲虫前翅单胞结构包括：内凹三角形结构1由正三角形顶部变平，底部有两处向内凹折并向两端延伸出一段形成。将甲虫前翅小梁微观结构的单叶双曲面结构和内凹三角形结构1融合，通过对内凹三角形结构1的上顶面进行对称，形成了具有单叶双曲面形状的二维结构，继而在将二维平面结构围绕竖直中心线进行旋转阵列，生成了具有单叶双曲面形状的仿生甲虫前翅单胞结构2，结构呈现为中心对称，将仿生甲虫前翅单胞结构各端点相连接阵列形成仿生甲虫前翅点阵结构3。[0016] 优选地，所述初步仿生甲虫前翅点阵结构外边长L1＝8.5mm，取值范围为7.5mm‑9.5mm，内变长L2＝4.5mm，取值范围为3.5mm‑5.5mm，外边厚T1＝1mm，取值范围为0.8mm‑1.2mm，内边厚T2＝0.8mm，取值范围为0.6mm‑1mm，上夹角G1＝30°，取值范围为24°‑36°，下夹角G2＝60°，取值范围为54°‑60°，上边宽N＝3mm，取值范围为2mm‑4mm，下边宽D＝9mm，取值范围为8mm‑10mm。[0017] 优选地，优化设计后的仿生甲虫前翅单胞结构高H＝16.72mm、宽为W1＝18mm、中部的腰宽为W2＝5mm，外边长L1＝8.5mm，内边长L2＝4.4mm，外边厚T1＝1mm，内边厚T2＝0.8mm，上夹角G1＝30°，下夹角G2＝64°，上边宽N＝2.5mm，下边宽D＝9mm。[0018] 一种应用如上述所述的一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法所设计得到的仿生甲虫前翅点阵结构，所述仿生甲虫前翅点阵结构由仿生甲虫前翅单胞结构各端点相连接阵列形成。[0019] 本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法，本发明提供的点阵结构设计方法具有可控性和可重复性，可使用此设计方法分析、提取自然界的动植物特点，结合现有结构定制不同形式的点阵晶格，探索出更多具有特殊性能和应用潜力的点阵结构，推动结构工程领域的发展和创新；将内凹三角形结构结构与甲虫前翅结构相结合，融合了两者的优点，仿生甲虫前翅点阵结构在抗剪承载力、能量的吸收和抗断裂能力上比传统的结构具有更大的优势，且轻量化、韧性高构造精巧、适用而且节省材料，因排列和一系列连续的蜂窝形的网状结构，可以分散承担外力，抵抗能力更强。附图说明[0020] 图1是本发明实施例提供的仿生甲虫前翅单胞结构特征提取及设计过程示意图；[0021] 图2是本发明实施例提供的仿生甲虫前翅单胞结构中内凹三角形结构结构尺寸参数示意图；[0022] 图3是本发明实施例提供的仿生甲虫前翅单胞结构正视图及尺寸参数示意图；[0023] 图4是本发明实施例提供的仿生甲虫前翅单胞结构俯视图；[0024] 图5是本发明实施例提供的仿生甲虫前翅单胞结构正等轴侧图；[0025] 图6是本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构正视图；[0026] 图7是本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构俯视图；[0027] 图8是本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构正等轴侧图；[0028] 图9是本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构光固化3D制备；[0029] 图10是本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构准静态压缩试验过程图；[0030] 图11是本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构准静态压缩试验接触力‑位移图；[0031] 图12是本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构准静态压缩试验总吸能‑位移图；[0032] 图13是本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构准静态压缩试验比吸能‑位移图；[0033] 图14是本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构准静态压缩试验应力‑应变图。具体实施方式[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0035] 以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。[0036] 如图1所示，从甲虫前翅微观小梁结构特点出发，通过对甲虫前翅微观小梁结构的相似性分析和提取，提取出主要结构元素和结构机理，根据仿生学原理，通过相似性分析的方法来确认，从结构相似度、功能相似度和边界相似度角度对所选元素进行分析；[0037] 如图1所示，根据甲虫前翅微观小梁结构特点进行结构特征提取与内凹三角形结构结构融合，建立一个三维宏观的初步仿生甲虫前翅单胞结构，并确立每个元素及其尺寸的范围，用于结构构造和尺寸参数优化；[0038] 如图1所示，通过单因素分析法和响应曲面法研究结构参数对初步仿生甲虫前翅单胞结构的吸能性能的影响规律；对初步仿生甲虫前翅单胞结构进行优化设计，得到最优吸能性能的仿生甲虫前翅单胞结构的结构参数；[0039] 如图2‑图5所示，使用最优吸能性能的仿生甲虫前翅单胞结构的结构参数构建仿生甲虫前翅单胞结构。[0040] 如图6‑图8所示，将仿生甲虫前翅单胞结构各端点相连接阵列形成仿生甲虫前翅点阵结构，通过准静态压缩仿真试验验证性能；[0041] 通过计算机辅助设计(CAD)软件创建所需的三维模型，设计完成后，将模型转换成STL格式，以便后续的打印准备工作。[0042] 切片处理：将STL格式的三维模型输入到切片软件中，进行切片处理，切片软件将模型分解为多层薄片，每层厚度为0.05mm，并生成每一层的打印路径信息，确定打印时光束照射的轨迹。[0043] 打印准备：选择光敏树脂材料，将切片软件生成的打印路径信息传输到打印机控制系统。[0044] 3D打印：启动打印机，光照强度为500mW/cm2，打印速度为10mm/h，光源照射在第一层树脂上，固化形成第一层，然后工作平台下降一定距离，使下一层树脂暴露在光源下，再次照射光束，重复这个过程直至整个模型打印完成。[0045] 后处理：完成打印后，将打印出的物体从打印平台上取下，进行去除支撑结构、清洗、固化等后处理工作。[0046] 如图10所示，进行准静态压缩试验，验证仿真试验准确性；[0047] 结合图11‑图14，本发明实施例提供的一种仿生甲虫前翅点阵结构设计方法，本发明提供的点阵结构设计方法具有可控性和可重复性，可使用此设计方法分析、提取自然界的动植物特点，结合现有结构定制不同形式的点阵晶格，探索出更多具有特殊性能和应用潜力的点阵结构，推动结构工程领域的发展和创新；将内凹三角形结构结构与甲虫前翅结构相结合，融合了两者的优点，仿生甲虫前翅点阵结构在抗剪承载力、能量的吸收和抗断裂能力上比传统的结构具有更大的优势，且轻量化、韧性高构造精巧、适用而且节省材料，因排列和一系列连续的蜂窝形的网状结构，可以分散承担外力，抵抗能力更强。因此，本发明具有很好的实用价值。[0048] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：黑龙江

专利申请日期：2024-01-06

专利公开日期：2024-08-06

专利公告号：CN117828882B