【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及薄壁結(jié)構，尤其涉及一種引入切割縫的高延展性薄壁結(jié)構及其設計優(yōu)化方法。
技術介紹
1、在現(xiàn)有技術中，薄壁結(jié)構廣泛應用于建筑工程、航空航天、電子設備等多個領域。薄壁結(jié)構由于其重量輕、材料利用率高，在各種工業(yè)應用中占據(jù)重要地位。然而，傳統(tǒng)的薄壁結(jié)構通常由低延展性材料制成，這些材料在承受外部應力時易發(fā)生斷裂，導致其延展性能受到限制。這種脆性斷裂不僅限制了薄壁結(jié)構在某些高應變環(huán)境下的應用，也增加了設計和制造的復雜性。
2、為了解決脆性材料延展性不足的問題，現(xiàn)有技術提出了多種增強方法。例如，采用復合材料替代單一材料，以提高結(jié)構的延展性和韌性。然而，這些方法通常需要復雜的制造工藝，增加了生產(chǎn)成本，同時也可能帶來材料兼容性問題。此外，現(xiàn)有的一些設計方法雖然能夠在一定程度上提高薄壁結(jié)構的延展性，但其效果有限，且難以在不同應用場景中靈活調(diào)整結(jié)構參數(shù)以滿足特定需求。在此背景下，如何在不增加制造難度和成本的前提下，有效提高薄壁結(jié)構的延展性，成為當前研究與工程應用的熱點之一。尤其是對于那些對延展性有特殊要求的應用領域，如柔性可展光伏、建筑幕墻、柔性電子等，開發(fā)一種既具有高延展性又便于工業(yè)化生產(chǎn)的薄壁結(jié)構顯得尤為重要。
技術實現(xiàn)思路
1、專利技術目的：本專利技術的目的是提供一種引入切割縫的高延展性薄壁結(jié)構及其設計優(yōu)化方法，防止由于單一單元過度變形導致的局部斷裂，能提升結(jié)構的整體穩(wěn)定性和可靠性。
2、技術方案：一種引入切割縫的高延展性薄壁結(jié)構，所述薄壁結(jié)構由夾持端和多個基本
3、進一步，所述切割條的端部為半圓形結(jié)構，設切割條長度為l1、寬度為w1，切割條端部到基本單元端部的距離為l2，則留白條的長度為l1+2l2+w1，過渡帶長度為2l2。
4、進一步，所述切割縫根據(jù)實際運用需求進行調(diào)整，在同一行基本單元中無需均勻布置。
5、上述任一項高延展性薄壁結(jié)構的設計優(yōu)化方法，包括步驟如下：
6、s1，輸入期望的結(jié)構伸長率δλ及優(yōu)化目標g，并設定幾何參數(shù)的約束條件和制作所需的最小加工精度；
7、s2，根據(jù)基本單元在豎直方向上的陣列個數(shù)，劃分參數(shù)子空間；
8、s3，對參數(shù)子空間中的初始結(jié)果進行修正迭代，選取最優(yōu)值作為初始構型；
9、s4，在不同的參數(shù)子空間中，采用內(nèi)點法對初始構型進行精細化優(yōu)化設計，并對參數(shù)空間的邊界域進行檢查，求解局部參數(shù)空間中的最優(yōu)構型；
10、s5，對比不同參數(shù)空間中的局部最優(yōu)解，求解出整體最優(yōu)的幾何構型。
11、進一步，所述高延展性薄壁結(jié)構對材料斷裂伸長率的提升值δλ通過下式計算：
12、
13、其中，ny為基本單元在豎直方向上的陣列個數(shù)；
14、x＝(0.5l1-l2)/(2w2+w1)，是無量綱的數(shù)；
15、l1,l2,w1,w2是用以切割的幾何參數(shù)；
16、所述優(yōu)化目標g包括材料用量的最小化、力學性能的提升、或者特定應用場景下的功能優(yōu)化；優(yōu)化目標g是以切割參數(shù)(nx,ny,l1,l2,w1,w2)為變量的函數(shù)表達式，其中，nx為基本單元在水平方向上的陣列個數(shù)；則優(yōu)化問題表示為：
17、
18、其中，e是期望值；ε為最小加工精度；lb1，lb2，lb3為取值上界；ub1，ub2，ub3為取值上界，表示為實數(shù)，表示正整數(shù)。
19、進一步，ny的取值范圍表示為：
20、
21、將ny的取值范圍劃分為個參數(shù)子空間，其中是小于等于ny最大值的整數(shù)，是大于等于ny最小值的整數(shù)。
22、進一步，步驟s3中，在每個參數(shù)子空間內(nèi)，多次獨立運行基于概率性質(zhì)的優(yōu)化算法，生成多個初始結(jié)果，對所有初始結(jié)果進行對比分析，選取出最優(yōu)值，作為進一步精細化優(yōu)化的初始構型。
23、本專利技術與現(xiàn)有技術相比，其顯著效果如下：
24、1、提高延展性：本專利技術通過在薄壁結(jié)構中引入周期性切割縫，在不改變材料本身特性的前提下，顯著提升了傳統(tǒng)低延展材料的延展性能。切割縫的幾何設計使得結(jié)構在受力時，借助獨特的變形方式，能夠有效吸收和分散應力，避免應力集中引起的脆性斷裂，從而顯著提高材料的整體延展性；
25、2、均勻變形與穩(wěn)定性：采用橫向相鄰單元間的切割縫設計，顯著降低了結(jié)構在變形過程中的頸縮現(xiàn)象，確保了結(jié)構在受力時的均勻變形。該結(jié)構設計有效防止了由于單一單元過度變形導致的局部斷裂，提升了結(jié)構的整體穩(wěn)定性和可靠性；
26、3、靈活的定制化設計：本專利技術通過引入系統(tǒng)化的設計優(yōu)化方法，能夠根據(jù)不同應用需求靈活調(diào)整幾何參數(shù)，從而實現(xiàn)特定伸長率的柔性薄壁結(jié)構的定制化設計。這一優(yōu)化方法不僅能夠適應各種應用場景的需求，還可以確保設計的結(jié)構在性能和制造可行性之間達到最佳平衡；
27、4、提高設計效率：本專利技術通過將參數(shù)空間劃分和優(yōu)化算法的結(jié)合應用，能有效解決離散參數(shù)帶來的優(yōu)化困難，提高了設計效率和優(yōu)化效果。多次運行基于概率的優(yōu)化算法并結(jié)合基于導數(shù)的精細化優(yōu)化，能夠增加找到全局最優(yōu)構型的概率，從而為實際應用提供更加優(yōu)化的結(jié)構設計方案；
28、6、制造簡便，成本低廉：本專利技術的薄壁結(jié)構可通過激光切割、水切割或化學蝕刻等常規(guī)加工工藝在二維平面內(nèi)進行制造。這些工藝方法操作簡便，成本低廉，使得本專利技術具有較高的工業(yè)化生產(chǎn)可行性，能夠在實際應用中大規(guī)模推廣；
29、7、廣泛的工程應用前景：本專利技術的高延展性薄壁結(jié)構同樣適用于脆性材料，這些脆性材料通常在高應變環(huán)境下的應用受限，本專利技術提高了這些脆性材料的延展性，拓寬了其在建筑幕墻、柔性光伏、柔性電子、可穿戴醫(yī)療設備等領域的應用范圍，具有良好的工程應用前景和市場潛力。
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1.一種引入切割縫的高延展性薄壁結(jié)構，其特征在于，所述薄壁結(jié)構由夾持端(1)和多個基本單元(2)組成，每個基本單元(2)上包括切割條(20)和留白條(21)，切割條(20)的四周為留白條(21)；縱向相鄰基本單元(2)間設有過渡帶，橫向相鄰基本單元(2)間設有切割縫(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述引入切割縫的高延展性薄壁結(jié)構，其特征在于，所述切割條(20)的端部為半圓形結(jié)構，設切割條(20)長度為l1、寬度為w1，切割條(20)端部到基本單元(2)端部的距離為l2，則留白條(21)的長度為l1+2l2+w1，過渡帶長度為2l2。
3.根據(jù)權利要求1所述引入切割縫的高延展性薄壁結(jié)構，其特征在于，所述切割縫(3)根據(jù)實際運用需求進行調(diào)整，在同一行基本單元中無需均勻布置。
4.如權利要求1～3任一項所述高延展性薄壁結(jié)構的設計優(yōu)化方法，其特征在于，包括步驟如下：
5.根據(jù)權利要求4所述高延展性薄壁結(jié)構的設計優(yōu)化方法，其特征在于，所述高延展性薄壁結(jié)構對材料斷裂伸長率的提升值Δλ通過下式計算：
6.根據(jù)權利要求5所述高延展性薄壁結(jié)構
7.根據(jù)權利要求4所述高延展性薄壁結(jié)構的設計優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S3中，在每個參數(shù)子空間內(nèi)，多次獨立運行基于概率性質(zhì)的優(yōu)化算法，生成多個初始結(jié)果，對所有初始結(jié)果進行對比分析，選取出最優(yōu)值，作為進一步精細化優(yōu)化的初始構型。
...【技術特征摘要】
1.一種引入切割縫的高延展性薄壁結(jié)構，其特征在于，所述薄壁結(jié)構由夾持端(1)和多個基本單元(2)組成，每個基本單元(2)上包括切割條(20)和留白條(21)，切割條(20)的四周為留白條(21)；縱向相鄰基本單元(2)間設有過渡帶，橫向相鄰基本單元(2)間設有切割縫(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述引入切割縫的高延展性薄壁結(jié)構，其特征在于，所述切割條(20)的端部為半圓形結(jié)構，設切割條(20)長度為l1、寬度為w1，切割條(20)端部到基本單元(2)端部的距離為l2，則留白條(21)的長度為l1+2l2+w1，過渡帶長度為2l2。
3.根據(jù)權利要求1所述引入切割縫的高延展性薄壁結(jié)構，其特征在于，所述切割縫(3)根...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：陳耀，何若琪，郜江俊，沈錚梁，史佳遙，趙坤，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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