碳纤维IsoTruss点阵夹芯结构抗压分析＊

张甲瑞，夏伟

（1.重庆工商职业学院智能制造与汽车学院，重庆 401520；2.重庆渝电大资产经营管理有限责任公司，重庆 401520）

引言

轻量化是实现汽车节能减排最有效的技术手段之一，复合材料的使用是整车轻量化的主要途径之一,点阵材料是一种结构-功能一体化材料，其主要结构特征是孔的有序排列，是一种典型的轻质结构。将复合材料与点阵材料结合，将使点阵复合材料更大程度实现轻质高强的性能[1]。

IsoTruss是一种通过杆件的连接和周期性分布的点阵结构，使用碳纤维制备IsoTruss点阵材料具有优异轻质性能。据实验研究表明，在等压缩强度下，用碳纤维复合材料制成的IsoTruss点阵结构比钢结构的重量轻了91%，比铝合金结构重量轻了73.3%，比碳纤维树脂基复合材料管的重量轻了44%。因此，IsoTruss点阵结构在轻量化应用领域，如汽车车身等具有广泛地应用前景[2]。本文主要通过有限元数值模拟计算不同节点形式的IsoTruss结构抗压性能，获得抗压效果最好的结构形式。

1 IsoTruss结构特征

IsoTruss点阵结构主体形似管材，由纵向杆和螺旋缠绕的螺旋杆构成。纵向杆贯穿整个IsoTruss点阵结构，而螺旋杆沿着轴向方向以折线形式缠绕。根据有无外围螺旋杆可以将IsoTruss点阵结构分为单重和双重。如图1所示[2]，8节点单重IsoTruss点阵结构比8节点双重IsoTruss点阵结构在俯视图方向上少了个外围螺旋部分，但中间部分都是由两个四边形重叠形成，交点处为8条纵向杆。8节点单重IsoTruss点阵结构与8节点双重IsoTruss点阵结构在制作时的缠绕区别在于8节点双重IsoTruss点阵结构是以单重IsoTruss点阵结构为基础，沿节点进行杆的二次缠绕，形成双重螺旋杆系，且纵向杆穿过节点，根据横截面节点个数不同，可以将IsoTruss点阵结构分为6节点、8节点、10节点和12节点等。

2 不同节点IsoTruss点阵结构抗压分析

根据IsoTruss结构的类型，分别建立6节点单元、8节点单重单元、8节点双重单元和10节点单元三维模型，模型中每个杆件直径均为3mm，外纵向杆所在的半径R为43mm，其中模型的材料采用碳纤维材料（T300），同时为了便于与传统材料作对比，建立了一个传统管材模型。将上、下压盘定义成刚体，对下压盘施加固定约束，上压盘施加均布的静载荷200N。5种试件的抗压仿真结果云图如图2所示。

结果显示位移最大处为施加载荷端，5个试件中6节点的位移最大，且6节点的纵杆所产生的应力、应变最大，表明其抗压性能是最弱的。因此从抗压仿真结果云图可以得出5种材料的抗压综合力学性能为：

管材〉8节点双重〉10节点〉8节点单重〉6节点

但是从材料的质量属性角度看，在满足性能要求的前提下，8节点双重IsoTruss点阵材料的抗压力学性能综合表现更佳。8节点双重IsoTruss点阵材料在质量较低的情况下能表现出更好的抗压力学性能。

3 小结

本文通过分析IsoTruss点阵结构特征，建立了不同节点形式的IsoTruss三维模型，通过有限元分析得出了8节点双重IsoTruss点阵材料的抗压力学性能综合表现最佳，为其进一步应用研究提供了一定参考。