层级表面晶格微结构

近各向同性

通过在TPMS晶格实心区域嵌入二级晶格，实现刚度、强度和能量吸收的近各向同性。

Xue, Yu · Ding, Junhao · 刘湃 · 亢战 · 宋旭 · Zhang, Lei · 王毅强

Composite Structures 2025

参数信息

刚度各向异性比

1.00

强度各向异性比

1.25

能量吸收各向异性比

1.23

两级特征尺寸比

500:1

技术优势

近乎完全消除各向异性

刚度最大/最小比从3.09降到1.00，说明结构在所有方向上刚度一致，扭转刚度无需额外优化。

制造精度高，两级尺寸比超500:1

微激光粉末床熔融技术能够制备宏观-微观两级特征，为复杂层级结构提供可靠制造途径。

保留TPMS几何优势

层级设计仍具有TPMS的光滑曲面、开孔架构和构型对称性，有利于多功能应用。

强度与吸能几乎各向同性

初始峰值应力比降至1.25，比能量吸收比降至1.23，不同加载方向下性能差异小。

应用场景

• 晶格结构设计：提供各向同性设计方案，可直接替代各向异性TPMS，减少方向校核。
• 轻量化结构：各向同性性能使轻量化设计不受载荷方向限制，简化结构优化。
• 航空航天结构：近各向同性性能可适应多方向复杂载荷，提高承载可靠性。
• 机械超材料：层级设计拓宽了超材料在均匀力学响应下的设计空间。
• 多孔材料：开孔架构保留流体/传质功能，同时获得近各向同性力学性能。