典型三维点阵夹芯结构抗压性能及其在汽车上的应用分析＊

张甲瑞，姜雪妹

（1.重庆工商职业学院智能制造与汽车学院，重庆 401520；2.上海沪工汽车电器有限公司，上海 201804）

引言

点阵材料属于多孔材料范畴，它是一种空间桁架结构，由杆、板等按一定规则反复排列的微单元组成。目前国内外针对三维点阵材料的夹芯研究主要集中在BCC、FCC及通过这两类基础拓扑结衍生的其他拓扑结构[1]。这些结构具有制备简便可靠，破坏形式单一等特点，与传统材料相比，点阵材料最大的不同在于其具有千变万化的微结构和高孔隙率，因此，点阵材料具有结构和材料的双重属性，其轻质、高强、抗爆破、高效散热、隔热、吸能等特征，使其具有广泛的应用背景。

1 典型三维点阵夹芯结构抗压性能分析

BCC、FCC及通过这两类基础拓扑结构衍生的其他拓扑结构如图1所示。为了方便对比分析，图中各三维点阵结构中单个点阵单元大小为5×5×5mm，阵列形成3×3×3即27个点阵单元的点阵，杆的直径为1mm，上下面板厚度1mm。模型的材料选用常用结构钢，同时为了便于与传统材料作对比，建立了一个实心模型。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10000N。各典型三维点阵结构抗压结果如表1所示。

图 1 常见点阵结构

表1 各结构抗压结果

结合表1数据，对比分析实心材料与典型三维点阵材料之间的抗压性能。得到如下结论：

（1）相对于传统实心结构，点阵结构具有轻质，应力分散均匀等优点；

（2）FCC，BCC结构的抗压性能明显差于由它们所拓扑衍生的结构；

（3）在FCC、BCC衍生结构中，当在力的方向上增加支撑时，可以明显地提升该结构在此力方向上的抗压能力。如FCC，Z和BCC，Z等；

（4）在这些典型的金属三维点阵结构中，BCC，Z的综合性能表现最佳。

2 BCC，Z点阵夹芯结构应用分析

汽车转型升级带来新的机遇和挑战，正在催生先进的材料技术，不论是传统汽车还是纯电动汽车，在技术革新和创新设计过程中都会在降低油耗、节约能源或增加续航里程、安全防护等方面付出巨大的努力，而新材料的研制与应用是有效途径之一，先进材料在汽车轻量化、汽车被动安全、热交换等方面有着特有的性能，必将在汽车发展进程中担当重要角色，成为推动汽车快速发展的重要利器之一。结合三维点阵材料特性，将其应用在汽车防撞梁吸能盒上[2]，如图2所示，可以作为点阵材料在汽车上的应用研究的一个方向。

图2 BCC，Z用于汽车吸能盒模型

3 总结

文章通过对两种基础点阵材料结构——BCC和FCC的结构分析，通过建模完成BCC和FCC及其衍生结构的力学分析，得出BCC，Z的综合性能最佳的结论，并提出了该结构在汽车吸能盒上应用的设想，为点阵材料在汽车上的应用提供了力学性能参考。