增材點陣結構的案例
多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（上篇）
四種常見的結構包括蜂窩，開孔泡沫，閉孔泡沫，點陣結構。其中點陣的外觀非常類似于開孔泡沫，但不同的是，點陣的變形是拉伸為主，而不是彎曲。
點陣結構的材料特點是重量輕、高強度比和高特定剛性。并且帶來各種熱力學特征，點陣結構的超輕型結構適合用在抗沖擊/爆炸系統、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統中。
那么如何解決增材制造點陣結構設計中遇到的CAE分析問題？本期谷.專欄特別推薦《多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（上篇）》 。
專為點陣結構仿真分析的Lattice Simulation
隨著增材制造領域中3D打印技術的快速發展，增材點陣結構在航天航空、船舶、汽車、體育和醫療等行業得到了廣泛應用。點陣結構作為一種新型的結構設計，除輕量化特點外，同時還具有優良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。由于其含有大量復雜的微觀結構，包括胞元類型和幾何尺寸等參數，導致建模和仿真計算工作量巨大，傳統有限元分析已經無法適用。因此，經過多年的仿真計算積累和努力探索，安世中德團隊開發出了一款專業用于增材點陣結構仿真分析的軟件，即Lattice Simulation。
本文分為上、下兩篇，上篇結合應用案例，淺談基于多尺度算法開發出的這款點陣結構分析工具，是如何高效、快速地幫助用戶解決增材點陣結構設計中遇到的CAE分析問題的。下篇將對Lattice Simulation和ANSYS Discovery進行分析對比，以說明多尺度算法在點陣結構分析中的準確性。
圖1 點陣結構
Lattice Simulation是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在ANSYS add-in擴展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。
展開 多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（下篇）
四種常見的結構包括蜂窩，開孔泡沫，閉孔泡沫，點陣結構。
點陣結構的材料特點是重量輕、高強度比和高特定剛性。并且帶來各種熱力學特征，點陣結構的超輕型結構適合用在抗沖擊/爆炸系統、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統中。
那么如何解決增材制造點陣結構設計中遇到的CAE分析問題？谷.專欄在前不久特別推薦了《多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（上篇）》 。本期，谷.專欄將推薦《多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（下篇）》。
多尺度算法在點陣結構分析中的準確性
上篇介紹了增材點陣結構仿真分析軟件 Lattice Simulation 的多尺度算法，以及 Lattice Simulation是如何高效、快速地幫助用戶解決增材點陣結構設計中遇到的CAE分析問題的。下篇將對 Lattice Simulation 和 ANSYS Discovery 進行分析對比，以說明 Lattice Simulation 多尺度算法在點陣結構分析中的準確性。
圖 1 點陣結構
上篇中提到，Lattice Simulation 是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在 ANSYS add-in 擴展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數，在均質化等效實體模型宏觀力學分析后，可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。
圖2 點陣結構分析工具功能
圖3 Workbench點陣結構模塊分析流程
ANSYS Discovery 作為新一代的仿真分析應用工具，其最大特點是能夠即時得到分析結果。
展開 增材制造：拓撲優化與梯度點陣結構提升零部件附加值
在先進工程設計中，拓撲優化和點陣結構經常會被同時考慮。近年來，以nTopology為代表的場驅動設計概念使工程師能夠實現更高的設計自由度。然而，如何正確使用各種場驅動設計方法卻尚無定論。
基于面的點陣結構（如gyroids和其他TPMS結構）具有較高的比剛度，且非常適合增材制造工藝。此外，點陣結構還具有許多其他的性能優勢，如較高的換熱系數、較好的減震性能和易于控制的剛度。
利用點陣結構的這些優勢，我們可以設計出比傳統拓撲優化更優的部件。由于目前還沒有太多文獻清晰并定量地描述點陣結構的功能優勢，本文介紹了一種優化點陣結構剛度的方法。
拓撲優化和點陣結構相結合的設計可以使零部件具有更高附加值。在本文中，雅馬哈電機的研發工程師長本弘治介紹了如何有效地使用這兩種先進的工程設計技術，并通過展示一些簡單的例子闡述在實際設計和制造過程中應考慮的因素。
點陣結構分析工具
隨著增材制造領域中3D打印技術的快速發展，增材點陣結構在航天航空、船舶、汽車、體育和醫療等行業得到了廣泛應用，點陣結構作為一種新型的結構設計，除輕量化特點外，同時還具有優良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。
點陣結構及其應用
由于點陣含有大量復雜的微觀結構，包括胞元類型和幾何尺寸等參數，導致仿真計算工作量巨大，傳統有限元分析已經無法適用。因此，經過多年的仿真計算積累和努力探索，安世亞太自主開發了一款專業用于增材點陣結構仿真分析的軟件，即Lattice Simulation。
Lattice Simulation是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在ANSYS add-in擴展工具中。
展開 一鍵聚焦 | 多尺度算法點陣結構分析軟件Lattice Simulation
隨著增材制造領域中3D打印技術的快速發展，增材點陣結構在航天航空、船舶、汽車、體育和醫療等行業得到了廣泛應用。點陣結構作為一種新型的結構設計，除輕量化特點外，同時還具有優良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。
由于其含有大量復雜的微觀結構，包括胞元類型和幾何尺寸等參數，導致建模和仿真計算工作量巨大，傳統有限元分析已經無法適用。因此，
經過多年的仿真計算積累和努力探索，安世中德自主開發了一款專業用于增材點陣結構仿真分析的軟件，即Lattice Simulation。
基于多尺度算法自主開發出的這款點陣結構分析工具，可以高效、快速地幫助用戶解決增材點陣結構設計中遇到的CAE分析問題的。
展開 
Hill模型在增材制造點陣結構非線性分析中的應用
對于本文中金屬增材制造點陣結構，由于其單軸拉伸為雙線性行為，而剪切方向的非線性曲線沒有明顯的屈服點，點陣結構的不同種力學行為表現出明顯的方向相關性。因此，在全尺度范圍內保證Hill空間內應力滿足各向同性屈服準則比較困難，這也是導致剪切應變超過0.0025后曲線驗證存在較大誤差的原因。換言之，在拉壓方向，以及剪切變形較小的場合，Hill模型可以準確描述金屬增材點陣結構的力學行為。
對于（非）金屬材料點陣結構，若其單軸拉伸和剪切方向均為沒有明顯屈服點的應力-應變曲線，則可以通過曲線擬合的方法（不在本文中討論）獲得Hill模型的6個R參數。在滿足宏觀力學分析要求的情況下，Hill模型可以很好的描述該種類型點陣結構的力學行為。
在增材制造點陣結構分析中，可以采用Lattice Simulation得到均質化線彈性材料常數，建立6個試驗工況并提取應力-應變曲線。LS-Dyna的MAT_40/NONLINEAR_ORTHOTROPIC材料本構可以調用這些曲線以描述該種金屬點陣結構各個方向上的力學行為。
展開 Lattice Simulation 多尺度算法在點陣結構分析中的應用
隨著增材制造領域中3D 打印技術的快速發展，增材點陣結構在航天航空、船舶、汽車、體育和醫療等行業得到了廣泛應用。點陣結構作為一種新型的結構設計，除輕量化特點外，同時還具有優良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。
由于其含有大量復雜的微觀結構，包括胞元類型和幾何尺寸等參數，導致建模和仿真計算工作量巨大，傳統有限元分析已經無法適用。因此，經過多年的仿真計算積累和努力探索，安世中德團隊開發出了一款專業用于增材點陣結構仿真分析的軟件，即 Lattice Simulation。
請參考《多尺度算法增材點陣結構分析軟件Lattice Simulation應用概述》，了解 Lattice Simulation 的多尺度算法及其應用相關內容，這里不再贅述。這里將對 Lattice Simulation 和ANSYS Discovery 進行分析對比，以說明 Lattice Simulation 多尺度算法在點陣結構分析中的準確性 。
圖1 點陣結構
一、概述
Lattice Simulation 是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在 ANSYS add-in 擴展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數，在均質化等效實體模型宏觀力學分析后，可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。
展開 Lattice Simulation 多尺度算法在點陣結構分析中的應用
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯系我們：021-58403100
隨著增材制造領域中3D打印技術的快速發展，增材點陣結構在航天航空、船舶、汽車、體育和醫療等行業得到了廣泛應用。點陣結構作為一種新型的結構設計，除輕量化特點外，同時還具有優良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。
由于其含有大量復雜的微觀結構，包括胞元類型和幾何尺寸等參數，導致建模和仿真計算工作量巨大，傳統有限元分析已經無法適用。因此，經過多年的仿真計算積累和努力探索，安世中德團隊開發出了一款專業用于增材點陣結構仿真分析的軟件，即 Lattice Simulation。
這里將對 Lattice Simulation 和 ANSYS Discovery 進行分析對比，以說明 Lattice Simulation 多尺度算法在點陣結構分析中的準確性 。
圖1 點陣結構
概述
Lattice Simulation 是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在 ANSYS add-in 擴展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數，在均質化等效實體模型宏觀力學分析后，可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。
圖2 點陣結構分析工具功能
圖3 Workbench點陣結構模塊分析流程
模型分析對比
ANSYS Discovery 作為新一代的仿真分析應用工具，其最大特點是能夠即時得到分析結果。
展開 理解3D打印點陣結構的性能以及設計規則
胞元結構是增材制造的一個重要的研究領域，正如建筑用的空心磚，胞元的應用減少了材料的使用，有效幫助實現輕量化。四種常見的胞元結構包括蜂窩，開孔泡沫，閉孔泡沫與點陣結構。
點陣結構材料由于在熱、電和光學性能等方面具有的優勢，以及作為潛在的輕量化材料而受到人們關注。點陣結構，為實現零部件不同的外觀和性能打開了一扇門。點陣結構所固有的復雜性，使得增材制造/3D打印技術與其制造有著天然的結合點。3D打印的一大優勢是靈活性以及打印成本對產品的復雜性不敏感，這也是復雜的點陣結構成為3D打印領域的一大熱門研究方向的主要原因。
在使用3D打印技術作為點陣結構的制造方式時，設計師能夠釋放和發掘點陣結構的功能和潛力，從而提高其產品的性能。同時，點陣結構的設計思路也可以促使設計者重新思考零件所需的性能，以探索更多的設計空間。
結構與功能的結合
自然界中隨處可見點陣結構，如骨骼和金屬晶體等。在產品設計時，利用點陣的機械效能，如超大表面積，優異的減震性能，抗沖擊保護等，能夠克服傳統制造的限制，創造新的、更高性能的產品。
優異的強度-重量比
通常有兩種途徑可以改善部件的強度-重量比。傳統制造中，是通過減少非關鍵區域的材料來減少材料的使用，以減輕重量。而點陣設計卻可以同時減少零件關鍵區域中的材料以減輕重量，這樣做有時確實降低了零件的整體強度，但卻可以提高強度 - 重量比。
超大的表面積
點陣結構材料不僅重量輕，而且可以釋放大量的表面積 ，這類結構能夠促進熱交換和化學反應。
點陣結構可以顯著增大有效表面積，如果散熱器中充滿冷空氣，也可以快速帶走熱量。
展開 基于 MIST 方法提出了點陣結構的尺寸優化算法（用于制造增材優化等課題） ￥800
本文工作中，在對點陣結構進行優化設計時，應用到了一種文獻中提到的方法移動閾值切面法（MIST 方法），基于 MIST 方法提出了點陣結構的尺寸優化算法。因此，本小節對 MIST 方法作簡要介紹。MIST 方法是仝立勇教授等在 2014 年提出的一種新的拓撲優化方法。MIST 方法通過定義一種目標函數的近似響應函數來判斷設計變量的更新方向（變大或變小）而不強調不同變量之間更新步長的差異。已經證明，對于一系列結構設計，MIST 方法可以在無需顯式靈敏度分析的條件下生成結構的最優拓撲。此外，該算法易于實現，并且可以與商業有限元軟件結合而無需對軟件源代碼進行任何修改。本小節后續部分將對 MIST 方法的具體過程作詳細介紹。
MIST 方法是一種新提出的拓撲優化方法，通常用來解決公式（3. 1）所示的優化問題。MIST 方法的目標是尋求變量 x 和 t 的合適值使得目標函數（例如整體結構應變能）的響應值最小。MIST 方法的核心思想是在設計域上張起一張積分形式響應函數（應力、應變等的函數）的響應面，然后用一個可移動的水平面去切割目標函數響應面，水平上方的區域為實體材料區域，水平面下方的區域為孔洞材料區域，兩個面的交界輪廓就演變成了拓撲結構的邊界。水平平面對應的目標值 t 取決于體積約束，如果當前迭代步的實體材料過多則增加 t 的數值使水平面向上移動，反之則降低 t 的數值使水平面向下移動，t 在每一步迭代步中的具體數值可以通過二分法等方式計算得到。與 SIMP 方法中的密度類似，MIST 方法定義了一種體積權重值來描述材料種類，體積權重為 1 表示實體材料，提及權重為 0 表示孔洞材料。
展開 BCC點陣結構梁單元Abaqus壓縮仿真模擬-顯示動力學質量縮放 ￥19.89
本文通過abaqus顯示動力學的方法對BCC結構進行壓縮仿真模擬，同時為減小計算量，采用梁單元模擬點陣結構，壓頭設置為剛性面，添加質量縮放，加快運算速度，為點陣結構壓縮模擬提供一種便捷方法。
1. 建立BCC點陣模型,以單胞尺寸5X5X5為例。
a.首先建立立方體實體，然后對實體進行處理，得到點陣單胞點陣結構。
b.建立單胞BCC梁單元點陣模型,然后進行刪除面的操作，得到單胞BCC點陣結構，接下來進行陣列操作，得到最大外形尺寸為25x25x25的點陣壓縮模擬試件。
C.建立剛性壓板，設置參考點，模擬萬能試驗機壓頭，剛性單元不參與計算，不影響計算結果，加快運算速度。
2. 裝配，按壓縮試驗進行裝配，從上到下依次為壓板-點陣-壓板。
3.設置材料屬性，本文為鈦合金TC4，密度4.43e-9Tone/mm3,彈性模量為118000MPa，泊松比0.3，應力應變值見下表所示。
設置截面屬性Beam，定義截面半徑0.5mm
指派截面，定義方向[1,2,3]，完成材料屬性設置。
4.設置分析步Dynamic,Explicit，時間設置為5s，以每秒1mm的速度進行壓縮模擬，開啟質量縮放為1e-5，歷程輸出勾選位移和力，以便輸出力-位移曲線，然后計算相應的應力-應變曲線。
5.設置相互作用-切向行為和法向行為，摩擦系數為0.3，設置通用接觸。
以下部分為付費部分
展開 Abaqus點陣結構胞元拓撲優化
胞元結構
結構形式確定的前提下，一般會通過拓撲優化或胞元結構填充的方式，來實現輕量化設計，從而達到結構減重的目的。
結構輕量化設計的兩種手段
其中，胞元結構有四種常見的結構形式：蜂窩、開孔泡沫、閉孔泡沫和點陣結構。這幾種結構形式在日常生活中的應用非常多。
胞元結構的四種形式
泡沫鋁的壓縮曲線
胞元結構并不是人類設計師的專利，而是大自然的杰作。
比如，為什么動物的骨骼十分堅硬，但卻比較輕，具有很高的比強度和比剛度？
原來，骨骼的微觀形態具有胞元結構模式，下面是在掃描電子顯微鏡下，人類骨骼呈現出的胞元結構。
人類骨骼微結構
02. 點陣結構
剛才介紹的胞元結構的前三種形式工藝上比較好實現，比如蜂窩紙板的紙芯可以拉伸定型；蜂窩鋁板的鋁芯可以輥壓成型，然后膠合；開、閉孔泡沫結構都有比較成熟的發泡工藝。
而對于點陣結構呢？傳統制造的加工方式不太適用，這個時候就需要全新的增材制造方法-3D打印了。
最近幾年3D打印實在是太火了，現在很多的三維建模軟件的最新版本都增加了點陣結構的建模，甚至是分析。
在進行結構設計時，用戶可以在模型庫里隨意調用常用的點陣結構胞元模式。
常用的點陣結構胞元模式
點陣結構鋁合金的壓縮曲線
點陣結構具有輕質、高強的特點，還能減震、吸能，隔熱、降噪，非常適合模擬人類骨骼，所以醫療上通常用于人造骨骼植入人體。
點陣結構的應用
03. 基于ATOM的胞元拓撲優化
為了獲得某種點陣胞元的具體結構形式，我們可以通過ATOM拓撲優化的方式來實現。
展開 
考慮增材制造工藝的結構設計簡介
增材制造的一大優勢是可以制造復雜結構的產品，使很多我們之前所熟悉的產品變得跟原來的設計相比，零件更少，材料更少，具備相同甚至更好的力學性能，可以說增材制造給設計師們賦予了更多的設計自由度。
但，由于增材制造與傳統機加方式的原理不同，為“堆積”材料的工藝。因此，在進行結構設計時需要考慮支撐結構，熱歷史，打印時長，成本，成型質量等各種因素。由此，增材制造設計方法（Design for Additive Manufacturing (DfAM)）應運而生。它是考慮增材制造工藝而開展結構設計的科學方法。
一、支撐
- The more support material you have the more cost due to printing time
支撐材料越多，打印時間成本越高
- The more support material you have the more material cost you will have
支撐材料越多，打印材料成本越高
- The more support material you have the more time for the finish is needed
支撐材料越多，打印完成時間越長
由此可知，支撐是影響增材制造的重要因素，合理設置支撐結構十分必要！
那么為什么要有支撐？支撐有什么用？怎樣設計支撐？
圖1 不同懸垂角添加支撐對比圖
作用一：支撐懸臂結構，保證打印順利進行
如圖1所示當零件具有超過一定的懸垂角度的結構時，則需要支撐結構來支撐成型，保證良好的質量，否則不能成功打印。
展開 SimSolid點陣夾芯結構計算
Simsolid點陣夾芯結構計算.pdf
概述 本文采用 Altair Simsolid 軟件對某點陣夾芯結構分別進行模態、線性靜力計 算，并將計算結果與 Abaqus 軟件進行比較。
《Nature Commun》：多晶宏觀點陣結構材料的強化機制！
在此，來自英國帝國理工學院的Chen Liu等研究者，
以多晶金屬材料的結構為靈感，設計出多取向宏觀點陣材料，對剪切帶活動的機制進行了研究和討論，為預測和控制亞晶的局部變形行為提供了堅實的基礎
。相關論文以題為“The origin of the boundary strengthening in polycrystal-inspired architected materials”發表在Nature Communications上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24886-z
在內部結構有序排列的基礎上構建的點陣結構材料重量輕，在承重和吸收沖擊能量方面具有優異的性能，使其在航空航天、汽車、醫療器械、包裝和基礎設施等領域得到廣泛應用。晶格材料，是一種特殊類型的點陣結構材料，它是由有規則的支柱網絡組成的單胞周期性排列而形成的。針對由不同基材、不同單元格類型(如等桁架、八元桁架、體心立方、陀螺和人造軸)、不同材料制成的單晶晶格材料的彈性、塑性屈服和韌性，以及使層次化晶格材料具有非凡特性的制造技術，人們進行了廣泛而深入的研究。單取向晶格的主要問題之一，是塑性屈服后的強度嚴重下降，這是由于在整個結構中形成了主導的和快速傳播的剪切帶，特別是對于彈塑性材料或含有制造缺陷的拉伸主導晶格材料。因此，晶格材料的強度和能量吸收能力大大降低，限制了材料在結構應用中的適用性。剪切帶的形成與組成支柱的塑性屈服、彎曲或屈曲有內在聯系。由于支板在整個結構中的均勻周期性布置，一旦一個支板發生倒塌，其他某一方向的支板也會以同樣的方式發生倒塌，造成損傷快速傳播，強度損失較大。
展開 帶有點陣結構冷卻方案的燃氣渦輪發動機部件
在這方面，根據3D科學谷的市場觀察，除了冷卻通道，點陣結構在散熱方面也獲得了不斷深入的研究與應用。
提高局部對流冷卻效果
根據3D科學谷的市場研究，UTC聯合技術正在將3D打印技術應用于燃氣渦輪發動機部件的冷卻方案，包括在燃氣渦輪發動機部件的壁內部的點陣結構。通過點陣結構為燃氣渦輪發動機部件提供有效的局部對流冷卻，使得部件可以經受通過核心流動路徑的熱燃燒氣體的高溫。
根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術所設計的點陣結構可以適應于任何給定的燃氣渦輪發動機部件或部件的某個部分的特定冷卻需求。換句話說，通過改變點陣結構（圖中編號80）的設計和密度，可以調整以匹配外部熱負荷和局部壽命要求。
不過對于任何給定的點陣結構來說，實際設計可取決于部件的幾何形狀。還需要考慮各種要求，包括壓力損失、局部冷卻流量、冷卻空氣熱量吸收、熱效率、總體冷卻效率、空氣動力學混合和可生產性考慮，并且還需要考慮燃氣渦輪發動機的特定參數。
點陣結構（圖中編號80）可以通過諸如粉末床金屬熔融的增材制造工藝來生產，當然還可以通過電子束熔化（EBM）工藝來生產。
不過，根據3D科學谷的了解，UTC聯合技術還通過鑄造工藝來生產點陣結構，這種增材制造工藝可用于生產難熔金屬芯（RMC），包括但不限于鉬c。
3D科學谷Review
左手冷卻通道，右手點陣結構
談到發動機部件的冷卻技術，我們通常想到的是冷卻通道的方式。根據3D科學谷的市場觀察，增材制造技術可以用來實現帶冷卻通道的發動機葉片從而使得這些葉片可以在極高的溫度下運行，而沒有這些冷卻通道的情況下，這些葉片會在極高的高溫下發生變形。
展開 