典型三維點陣夾芯結構抗壓性能及其在汽車上的應用分析＊

張甲瑞，姜雪妹

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

引言

點陣材料屬于多孔材料范疇，它是一種空間桁架結構，由桿、板等按一定規則反復排列的微單元組成。目前國內外針對三維點陣材料的夾芯研究主要集中在BCC、FCC及通過這兩類基礎拓撲結衍生的其他拓撲結構[1]。這些結構具有制備簡便可靠，破壞形式單一等特點，與傳統材料相比，點陣材料最大的不同在于其具有千變萬化的微結構和高孔隙率，因此，點陣材料具有結構和材料的雙重屬性，其輕質、高強、抗爆破、高效散熱、隔熱、吸能等特征，使其具有廣泛的應用背景。

1 典型三維點陣夾芯結構抗壓性能分析

BCC、FCC及通過這兩類基礎拓撲結構衍生的其他拓撲結構如圖1所示。為了方便對比分析，圖中各三維點陣結構中單個點陣單元大小為5×5×5mm，陣列形成3×3×3即27個點陣單元的點陣，桿的直徑為1mm，上下面板厚度1mm。模型的材料選用常用結構鋼，同時為了便于與傳統材料作對比，建立了一個實心模型。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。各典型三維點陣結構抗壓結果如表1所示。

圖 1 常見點陣結構

表1 各結構抗壓結果

結合表1數據，對比分析實心材料與典型三維點陣材料之間的抗壓性能。得到如下結論：

（1）相對于傳統實心結構，點陣結構具有輕質，應力分散均勻等優點；

（2）FCC，BCC結構的抗壓性能明顯差于由它們所拓撲衍生的結構；

（3）在FCC、BCC衍生結構中，當在力的方向上增加支撐時，可以明顯地提升該結構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陣結構中，BCC，Z的綜合性能表現最佳。

2 BCC，Z點陣夾芯結構應用分析

汽車轉型升級帶來新的機遇和挑戰，正在催生先進的材料技術，不論是傳統汽車還是純電動汽車，在技術革新和創新設計過程中都會在降低油耗、節約能源或增加續航里程、安全防護等方面付出巨大的努力，而新材料的研制與應用是有效途徑之一，先進材料在汽車輕量化、汽車被動安全、熱交換等方面有著特有的性能，必將在汽車發展進程中擔當重要角色，成為推動汽車快速發展的重要利器之一。結合三維點陣材料特性，將其應用在汽車防撞梁吸能盒上[2]，如圖2所示，可以作為點陣材料在汽車上的應用研究的一個方向。

圖2 BCC，Z用于汽車吸能盒模型

3 總結

文章通過對兩種基礎點陣材料結構——BCC和FCC的結構分析，通過建模完成BCC和FCC及其衍生結構的力學分析，得出BCC，Z的綜合性能最佳的結論，并提出了該結構在汽車吸能盒上應用的設想，為點陣材料在汽車上的應用提供了力學性能參考。