本發(fā)明涉及材料科學(xué)和工程領(lǐng)域，是一種基于雙曲正切函數(shù)的三周期極小曲面（triply?periodic?minimal?surfaces,?tpms）融合技術(shù)，該技術(shù)通過選擇不同結(jié)構(gòu)和體積分?jǐn)?shù)的tpms來實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)的創(chuàng)新方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代設(shè)計(jì)中，碰撞吸能技術(shù)被廣泛應(yīng)用，旨在提高在碰撞事故中的安全性，減少人員和機(jī)器的損傷。碰撞吸能是指在碰撞過程中，通過設(shè)計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)或材料，使得碰撞能量被。碰撞吸能技術(shù)的應(yīng)用在汽車、航空航天、體育器材等領(lǐng)域都具有重大意義。有效地吸收和分散，從而減少碰撞對(duì)結(jié)構(gòu)或人體的損傷。碰撞吸能技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分，對(duì)于提高碰撞安全性、減少人員和機(jī)器的損傷具有重要意義。隨著科技的不斷進(jìn)步和人們對(duì)安全性的不斷追求，碰撞吸能技術(shù)將繼續(xù)得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。

2、目前吸能結(jié)構(gòu)主要由單一結(jié)構(gòu)填充構(gòu)成，雖然能夠在碰撞時(shí)起到緩沖作用，減少?zèng)_擊力，但是只能實(shí)現(xiàn)單平臺(tái)吸能效果。一些復(fù)雜的混合結(jié)構(gòu)模型幾乎無法通過手工繪制來實(shí)現(xiàn)，這極大地限制了設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力和設(shè)計(jì)自由度。本申請(qǐng)中設(shè)計(jì)旨在通過結(jié)合雙曲正切函數(shù)的特性和三周期極小曲面的幾何優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)建一種具有多平臺(tái)分級(jí)吸能能力的結(jié)構(gòu)，以在受到?jīng)_擊時(shí)有效減少能量傳遞并保護(hù)關(guān)鍵部件。通過matlab編程，在均勻三周期極小曲面晶格的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了混合三周期極小曲面晶格，實(shí)現(xiàn)了多級(jí)吸能(多級(jí)平臺(tái))和多級(jí)防護(hù)一體化多孔結(jié)構(gòu)，達(dá)到多級(jí)吸能效果。與單一三周期極小曲面晶格相比，多級(jí)三周期極小曲面晶格具有較高的比吸能。實(shí)現(xiàn)了多級(jí)吸能(多級(jí)平臺(tái))和多級(jí)防護(hù)一體化多孔結(jié)構(gòu)。研究了雜化tpms晶格的多段吸能特性，得到了雜化三周期極小曲面構(gòu)型、過渡層寬度、體積分?jǐn)?shù)和雜化方式對(duì)多段吸能的影響。因此有必要設(shè)計(jì)一種多級(jí)吸能結(jié)構(gòu)，以解決上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于雙曲正切函數(shù)tpms融合實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)的方法，本發(fā)明通過選擇不同結(jié)構(gòu)和體積分?jǐn)?shù)的tpms，并利用雙曲正切函數(shù)進(jìn)行融合和優(yōu)化，可以獲得具有優(yōu)異吸能能力的材料。該方法在材料科學(xué)、防護(hù)工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提供了一種基于雙曲正切函數(shù)tpms融合實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)的方法，通過融合不同結(jié)構(gòu)和不同體積分?jǐn)?shù)的tpms，實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求。對(duì)于每種選定的tpms，通過調(diào)整其體積分?jǐn)?shù)來改變其力學(xué)性能和吸能能力。體積分?jǐn)?shù)是指tpms結(jié)構(gòu)在材料中所占的比例。

4、優(yōu)選地，選擇gyroid（g）、schwarz?primitive（p）、i-wp?surface(i-wp)三種tpms構(gòu)型進(jìn)行雜化，實(shí)現(xiàn)3級(jí)平臺(tái)吸能。本發(fā)明提供了上述三種構(gòu)型，并不僅限于該三種構(gòu)型和數(shù)量。

5、本發(fā)明提供了上述技術(shù)方案所述的tpms構(gòu)型雜化建模方法，包括以下步驟：

6、tpms的水平集近似方程：

7、

8、

9、

10、使用雙曲正切函數(shù)對(duì)選定的tpms進(jìn)行融合。通過調(diào)整雙曲正切函數(shù)的參數(shù)，可以控制不同tpms在融合過程中的權(quán)重，從而實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)。

11、雙曲正切函數(shù)表達(dá)式：

12、使用isosurface函數(shù)提取等值面，根據(jù)給出不同tpms構(gòu)型的隱函數(shù)表達(dá)式。構(gòu)造，函數(shù)通過基于三維網(wǎng)格上的標(biāo)量數(shù)據(jù)來創(chuàng)建等值面。

13、使用isocaps函數(shù)生成封閉的等值面體的面和頂點(diǎn)數(shù)據(jù)，并合并面和頂點(diǎn)數(shù)據(jù)。

14、使用stlwrite函數(shù)將合并后的面和頂點(diǎn)數(shù)據(jù)保存，并命名為“hybrid”的stl文件。

15、將導(dǎo)出的“hybrid”?stl文件模型與端塊裝配，輸出為整體。

16、通過3d打印制備，并進(jìn)行試驗(yàn)，使用材料為petg。試驗(yàn)結(jié)果表明，沿加載方向在同一結(jié)構(gòu)中引入不同類型或不同數(shù)量的tpms單胞，則變形可能優(yōu)先從屈服強(qiáng)度低的晶格結(jié)構(gòu)向屈服強(qiáng)度高的tpms結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移。這樣就可以實(shí)現(xiàn)混合tpms晶格的功能多級(jí)吸能雜化方法表明，基于tpms晶格屈服強(qiáng)度沿加載方向的順序雜化能達(dá)到多級(jí)吸能效果。

17、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是：

18、單一tpms結(jié)構(gòu)可能無法在所有情況下都達(dá)到最佳的吸能效果。本申請(qǐng)通過融合不同結(jié)構(gòu)和體積分?jǐn)?shù)的tpms，通過3d打印技術(shù)，可以直接將數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求。通過函數(shù)建模還降低了制造的誤差。利用雙曲正切函數(shù)進(jìn)行融合，并通過數(shù)值優(yōu)化方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以靈活調(diào)整材料的吸能特性?；趖pms結(jié)構(gòu)的材料具有良好的力學(xué)性能和吸能能力，融合后的材料可以進(jìn)一步提高其綜合性能。

19、本發(fā)明提供了一種基于雙曲正切函數(shù)tpms融合實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)的方法，因?yàn)閱我籺pms結(jié)構(gòu)可能無法在所有情況下都達(dá)到最佳的吸能效果，所以本發(fā)明通過選擇不同結(jié)構(gòu)和體積分?jǐn)?shù)的tpms，并利用雙曲正切函數(shù)進(jìn)行融合和優(yōu)化，可以獲得具有優(yōu)異吸能能力的結(jié)構(gòu)。該方法在材料科學(xué)、防護(hù)工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種基于雙曲正切函數(shù)雜化的tpms吸能結(jié)構(gòu)及其制備方法，其特征在于包括：將不同結(jié)構(gòu)和不同體積分?jǐn)?shù)的三周期極小曲面（tpms）進(jìn)行融合；利用雙曲正切函數(shù)對(duì)融合后的tpms進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求；根據(jù)不同三周期極小曲面的力學(xué)性能差異，進(jìn)行雜化混合，并優(yōu)化連接的過渡段，以提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和吸能效果；提供一種基于雙曲正切函數(shù)的雜化方法，通過matlab軟件實(shí)現(xiàn)多重雙曲正切函數(shù)的互相融合，以精確控制融合過程及優(yōu)化參數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙曲正切函數(shù)雜化的tpms吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述不同結(jié)構(gòu)和不同體積分?jǐn)?shù)的tpms包括但不限于施瓦茨d曲面、施瓦茨p曲面、iwp曲面或其組合，且其體積分?jǐn)?shù)在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)可調(diào)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于雙曲正切函數(shù)雜化的tpms吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述利用雙曲正切函數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的步驟包括：確定雙曲正切函數(shù)的參數(shù)，包括中心位置、斜率等，以反映不同應(yīng)用場(chǎng)景下的吸能需求；將雙曲正切函數(shù)應(yīng)用于tpms的幾何參數(shù)或材料屬性上，進(jìn)行連續(xù)或分段調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的基于雙曲正切函數(shù)雜化的tpms吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述雜化混合的方法包括：分析不同tpms的力學(xué)性能差異，確定雜化比例和雜化位置；采用過渡段設(shè)計(jì)，優(yōu)化雜化界面，確保結(jié)構(gòu)連接的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的基于雙曲正切函數(shù)雜化的tpms吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述matlab軟件實(shí)現(xiàn)的多重雙曲正切函數(shù)互相融合包括：定義多個(gè)雙曲正切函數(shù)，每個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)不同的tpms或不同的優(yōu)化目標(biāo)；通過算法調(diào)整各雙曲正切函數(shù)的參數(shù)，使它們能夠協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的吸能分級(jí)效果。

6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的基于雙曲正切函數(shù)雜化的tpms吸能結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括：設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)和體積分?jǐn)?shù)的tpms模型；利用雙曲正切函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳參數(shù)；根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行雜化混合設(shè)計(jì)，并優(yōu)化連接過渡段；通過數(shù)值仿真或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性，并進(jìn)行必要的調(diào)整。

7.一種如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的基于雙曲正切函數(shù)雜化的tpms吸能結(jié)構(gòu)在交通工具、建筑結(jié)構(gòu)、防護(hù)裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明通過描述一種基于雙曲正切函數(shù)TPMS融合，選取不同結(jié)構(gòu)和不同體積分?jǐn)?shù)，不同結(jié)構(gòu)的TPMS的從而實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)。通過融合不同結(jié)構(gòu)和體積分?jǐn)?shù)的TPMS，可以實(shí)現(xiàn)吸能分級(jí)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的需求。提出了一種優(yōu)化靈活的方法，利用雙曲正切函數(shù)進(jìn)行雜化融合，并通過改變不同體積分?jǐn)?shù)方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以靈活調(diào)整材料的吸能特性。通過3D打印進(jìn)行制造，基于TPMS結(jié)構(gòu)的材料具有良好的力學(xué)性能和吸能能力，融合后的結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提高其綜合性能。通過上述設(shè)計(jì)策略，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的整體吸能性能。這種組合設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊或加載時(shí)能夠更有效地吸收和分散能量，從而提高其安全性和耐久性。

技術(shù)研發(fā)人員：鄧壯壯,邱娜,邱祝川,郭珈伊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：海南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23