多尺度算法点阵结构分析软件Lattice Simulation聚焦

随着增材制造领域中3D打印技术的快速发展，增材点阵结构在航天航空、船舶、汽车、体育和医疗等行业得到了广泛应用。点阵结构作为一种新型的结构设计，除轻量化特点外，同时还具有优良的比刚度/强度、阻尼减震、缓冲吸能、吸声降噪以及隔热隔磁等功能性特点。

由于其含有大量复杂的微观结构，包括胞元类型和几何尺寸等参数，导致建模和仿真计算工作量巨大，传统有限元分析已经无法适用。因此，经过多年的仿真计算积累和努力探索，安世中德自主开发了一款专业用于增材点阵结构仿真分析的软件，即Lattice Simulation。

基于多尺度算法自主开发出的这款点阵结构分析工具，可以高效、快速地帮助用户解决增材点阵结构设计中遇到的CAE分析问题的。

图1  点阵结构

概述

Lattice Simulation是一款用于增材点阵结构分析的工具，具有用户自定义和内置点阵结构设计两种方式，已集成在ANSYS add-in扩展工具中。基于多尺度算法，用户可以采用等效均质化技术对点阵结构进行有限元分析。并且提取非均质化点阵结构的等效材料参数，在均质化等效实体模型宏观力学分析后，可以通过局部分析对胞元结构进行详细的应力校核。

图2  点阵结构分析工具功能

图3  Workbench点阵结构模块分析流程

功能与优势

Lattice Simulation提供增材点阵结构在有限元仿真中涉及的相关分析功能。

1） 均质化分析

基于胞元结构类型及在空间上的周期排列特性，进行均质化计算，提取等效实体的材料力学特性。

2） 宏观分析

采用均质化分析得到的等效材料数据，并对等效实体点阵结构进行力学分析，校核点阵结构刚度性能。

3） 细观校核

考虑胞元外部边界条件（采用应变加载），对其进行详细的应力分析，校核点阵胞元结构强度性能。

图4  多尺度算法原理图    

图5  多尺度分析流程图

 Lattice Simulation的优势体现在：

1） 强大的点阵建模功能

① 支持spaceclaim中内置点阵结构。

② 支持外部导入点阵类型。

2） 高效求解：大大降低建模难度，高效地实现复杂点阵结构的力学分析。

图6  Lattice Simulation操作界面

3） 自动生成材料数据库和内置材料数据库。

4） 支持参数优化功能。

5） 界面友好，易于操作。

图7  Spaceclaim内置点阵建模过程

图8  均质化分析过程胞元变形结果

应用案例

① 悬臂梁刚度和强度分析

为了验证lattice simulation的刚度及强度的准确性，我们对某一含点阵结构的立方体分别采用lattice simulation与Discovery进行了刚度及模态的分析，其中Lattice simulation就是采用多尺度的算法进行宏细观结合的力学分析，而Discovery就是直接对点阵结构进行力学分析，通过力学分析，获得相应的变形、应力以及各阶模态的频率，从而进行对比。

图9 点阵结构刚度分析

首先是刚度分析，右侧是采用对比验证的点阵结构填充的立方体原始模型及均质化模型，左侧分别为变形、宏观分析应力，通过对比其应力及变形分布云图可以发现，其分布趋势一致吻合，且最大值的误差皆在百分之零点几。

图10 点阵结构模态分析

其次是模态分析，对比分析发现，各阶模态的结果比较吻合，频率误差控制在3%以内。因此，Lattice simulation多尺度算法在分析点阵结构刚度和强度问题上具有很高的计算精度。

② 支架

与点阵优化相结合，对优化的变密度点阵进行宏观均质化分析：首先，基于力学性能要求，对设定的点阵结构、胞元尺寸，对点阵密度进行优化，基于有限元分析优化出点阵密度分布，基于优化的结果进行变密度点阵分布的填充，从而设计出变密度的高性能点阵结构；之后采用多尺度算法计算不同点阵密度下的等效材料属性；最后采用插值算法对变密度点阵进行宏观均质化分析。

图11  点阵结构支架分析

结论

本文结合Lattice Simulation对增材点阵结构设计中遇到的CAE分析问题进行了讨论，在考虑点阵结构类型、材料、几何尺寸和周期性边界等条件下，通过均质化分析得到胞元的等效材料参数。在应变能和宏观平均应力一致下，以保证较高的计算精度。基于此，在宏观分析之后，对胞元加载应变分量，并对其进行详细的强度校核。

通过以上篇幅讨论，可以得出以下结论：

1、采用多尺度算法，有效避免耗时耗力的点阵结构建模问题，大大降低建模难度。

2、 多尺度算法基于细观-宏观-细观的分析方式，可准确的求解点阵结构的刚度及强度问题。

3、有效减小计算规模，可以高效快速地对增材点阵结构进行求解。

4、支持点阵结构参数优化，可与optislang等优化软件实现联合仿真，实现参数最优组合。

5、Lattice Simulation add-in点阵分析工具完全无缝集成在Workbench环境中，可与其他模块软件实现联合仿真。

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