Abaqus点阵结构胞元拓扑优化研究

01. 胞元结构

结构形式确定的前提下，一般会通过拓扑优化或胞元结构填充的方式，来实现轻量化设计，从而达到结构减重的目的。

结构轻量化设计的两种手段

其中，胞元结构有四种常见的结构形式：蜂窝、开孔泡沫、闭孔泡沫和点阵结构。这几种结构形式在日常生活中的应用非常多。

胞元结构的四种形式

泡沫铝的压缩曲线

胞元结构并不是人类设计师的专利，而是大自然的杰作。

比如，为什么动物的骨骼十分坚硬，但却比较轻，具有很高的比强度和比刚度？

原来，骨骼的微观形态具有胞元结构模式，下面是在扫描电子显微镜下，人类骨骼呈现出的胞元结构。

人类骨骼微结构

02. 点阵结构

刚才介绍的胞元结构的前三种形式工艺上比较好实现，比如蜂窝纸板的纸芯可以拉伸定型；蜂窝铝板的铝芯可以辊压成型，然后胶合；开、闭孔泡沫结构都有比较成熟的发泡工艺。

而对于点阵结构呢？传统制造的加工方式不太适用，这个时候就需要全新的增材制造方法-3D打印了。

最近几年3D打印实在是太火了，现在很多的三维建模软件的最新版本都增加了点阵结构的建模，甚至是分析。

在进行结构设计时，用户可以在模型库里随意调用常用的点阵结构胞元模式。

常用的点阵结构胞元模式

点阵结构铝合金的压缩曲线

点阵结构具有轻质、高强的特点，还能减震、吸能，隔热、降噪，非常适合模拟人类骨骼，所以医疗上通常用于人造骨骼植入人体。

点阵结构的应用

03. 基于ATOM的胞元拓扑优化

为了获得某种点阵胞元的具体结构形式，我们可以通过ATOM拓扑优化的方式来实现。

比如，我们期望结构比较抗压，可以在分析时将载荷考虑为胞元静水压力形式的载荷（仅作用于预设的构架连接区域）。

模型的载荷设置

将用于进行胞元拓扑优化的原体中心置于坐标系原点，并施以关于三个坐标平面的对称约束，优化设置的目标函数是应变能，使其最小化，约束为体积响应，使其最终小于等于10%的初始体积。

胞元优化结果

Abaqus可以按照最佳传力路径布置材料，从而优化出胞元结构，我们可以将优化后的结构导出，用于二次设计或有限元分析。

通过ATOM优化的点阵结构

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