典型三維點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)抗壓性能及其在汽車上的應(yīng)用分析＊

張甲瑞，姜雪妹

（1.重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶 401520；2.上海滬工汽車電器有限公司，上海 201804）

引言

點(diǎn)陣材料屬于多孔材料范疇，它是一種空間桁架結(jié)構(gòu)，由桿、板等按一定規(guī)則反復(fù)排列的微單元組成。目前國內(nèi)外針對三維點(diǎn)陣材料的夾芯研究主要集中在BCC、FCC及通過這兩類基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)衍生的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。這些結(jié)構(gòu)具有制備簡便可靠，破壞形式單一等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)材料相比，點(diǎn)陣材料最大的不同在于其具有千變?nèi)f化的微結(jié)構(gòu)和高孔隙率，因此，點(diǎn)陣材料具有結(jié)構(gòu)和材料的雙重屬性，其輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗爆破、高效散熱、隔熱、吸能等特征，使其具有廣泛的應(yīng)用背景。

1 典型三維點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)抗壓性能分析

BCC、FCC及通過這兩類基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)衍生的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。為了方便對比分析，圖中各三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中單個(gè)點(diǎn)陣單元大小為5×5×5mm，陣列形成3×3×3即27個(gè)點(diǎn)陣單元的點(diǎn)陣，桿的直徑為1mm，上下面板厚度1mm。模型的材料選用常用結(jié)構(gòu)鋼，同時(shí)為了便于與傳統(tǒng)材料作對比，建立了一個(gè)實(shí)心模型。將上、下壓盤定義成剛體，對下壓盤施加固定約束，上壓盤施加均布的靜載荷10000N。各典型三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)抗壓結(jié)果如表1所示。

圖 1 常見點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

表1 各結(jié)構(gòu)抗壓結(jié)果

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，對比分析實(shí)心材料與典型三維點(diǎn)陣材料之間的抗壓性能。得到如下結(jié)論：

（1）相對于傳統(tǒng)實(shí)心結(jié)構(gòu)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)，應(yīng)力分散均勻等優(yōu)點(diǎn)；

（2）FCC，BCC結(jié)構(gòu)的抗壓性能明顯差于由它們所拓?fù)溲苌慕Y(jié)構(gòu)；

（3）在FCC、BCC衍生結(jié)構(gòu)中，當(dāng)在力的方向上增加支撐時(shí)，可以明顯地提升該結(jié)構(gòu)在此力方向上的抗壓能力。如FCC，Z和BCC，Z等；

（4）在這些典型的金屬三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，BCC，Z的綜合性能表現(xiàn)最佳。

2 BCC，Z點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)應(yīng)用分析

汽車轉(zhuǎn)型升級帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，正在催生先進(jìn)的材料技術(shù)，不論是傳統(tǒng)汽車還是純電動(dòng)汽車，在技術(shù)革新和創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中都會(huì)在降低油耗、節(jié)約能源或增加續(xù)航里程、安全防護(hù)等方面付出巨大的努力，而新材料的研制與應(yīng)用是有效途徑之一，先進(jìn)材料在汽車輕量化、汽車被動(dòng)安全、熱交換等方面有著特有的性能，必將在汽車發(fā)展進(jìn)程中擔(dān)當(dāng)重要角色，成為推動(dòng)汽車快速發(fā)展的重要利器之一。結(jié)合三維點(diǎn)陣材料特性，將其應(yīng)用在汽車防撞梁吸能盒上[2]，如圖2所示，可以作為點(diǎn)陣材料在汽車上的應(yīng)用研究的一個(gè)方向。

圖2 BCC，Z用于汽車吸能盒模型

3 總結(jié)

文章通過對兩種基礎(chǔ)點(diǎn)陣材料結(jié)構(gòu)——BCC和FCC的結(jié)構(gòu)分析，通過建模完成BCC和FCC及其衍生結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，得出BCC，Z的綜合性能最佳的結(jié)論，并提出了該結(jié)構(gòu)在汽車吸能盒上應(yīng)用的設(shè)想，為點(diǎn)陣材料在汽車上的應(yīng)用提供了力學(xué)性能參考。