【装备振动冲击与噪声】专刊文章推荐：一种基于Voronoi图的三维开孔泡沫模型构建方法

文摘科技 2024-11-13 09:56 陕西

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一种基于Voronoi图的三维开孔泡沫模型构建方法

文章亮点：开孔泡沫材料是一种可以满足航空航天等高新技术领域实际需求的先进的功能结构一体化材料，在工程实际生产应用方面有较好的发展前景。关于三维开孔泡沫的力学模型研究已经得到了一定的发展，但是在声学方面鲜有研究。提出一种利用Voronoi图构建三维开孔泡沫模型的方法，用于模拟开孔泡沫微结构的几何特性，并定义扰动因子K来衡量微观结构的不规则程度；利用光敏树脂打印技术生成对应的实物模型，并通过力学及声学实验与仿真对生成模型的准确性进行验证。结果表明：生成的带有截面属性的开孔泡沫实体模型可以导入多种有限元软件完成力学、声学等有限元计算，对三维Voronoi开孔泡沫模型的构建提供了思路和方法，对多孔材料的进一步性能研究和生产制备具有借鉴意义。

研究背景：与传统固体材料相比，多孔材料具有高比强度、高比刚度、高能量吸收效率以及各种各样的胞元尺寸和胞元微结构等优点，因此受到了各领域研究者的青睐，并在航空航天等领域中起着重要作用。Gibson等对多孔材料做出定义：多孔固体（Cellular Solid）是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成，而开孔泡沫材料的特点是组成泡沫材料的固体骨架单纯为胞元孔穴的棱边。在航空航天领域，越来越多的多孔材料被应用于实际生产中，例如：多孔材料作为框架结构中的填充物，不仅可以降低整机质量而且具有高效的能量吸收效率；多孔材料凭借其优异的隔声绝热性能填充机舱内壁从而成为抑制舱内噪声的一种重要手段；多孔材料在受到压缩的过程中有很长的平台阶段，表明其具有优异的缓冲吸能特性，因此由多孔材料作为重要组成部分制作而成的飞行器起落架、发动机声衬在减震降噪领域也得到了广泛的应用。

多孔材料的宏观行为和多孔材料的微观结构密切相关，因此对多孔材料的微观结构进行分析从而探究解释多孔材料宏观行为的机理。现如今越来越多的研究者采用有限元数值模拟方法研究多孔材料的微观结构的变化规律，并且尝试设计一些特殊形状的微观结构代表单元从而实现对多孔材料宏观性能的进一步提升。Gent等首先对开孔泡沫微观模型进行研究，首次提出开孔泡沫的微观结构可以用弹性支柱网络模型表征，随后构建了简单立方体模型；Gibson等在简单立方模型上进行进一步的研究，构建出交错立方模型；Liu P S在前人的研究基础上对模型进一步改进，提出了正八面体模型；Menges等根据开孔泡沫的微观结构构建五边十二面体模型；Kelvin正十四面体模型也是被诸多研究者用来描述开孔泡沫微观结构的重要模型之一。近年来，为了更加准确地描述多孔材料内部结构的随机性，研究者使用了Voronoi模型。该模型的生成过程与实际泡沫发泡技术生成的多孔材料具有极强的相似性，能够较准确地描述开孔泡沫内部随机的胞元形状和胞元分布，而且建模过程经济成本低。Gomez等利用Rhinoceros3D软件生成在三维空间中随机分布的种子点，并利用Grasshopper©软件将这些种子点划分出 Voronoi 多面体单元，再提取这些单元体的边线和面并进行布尔运算，生成杆件状的开孔泡沫多孔结构；Fantini等利用Voronoi划分生成多孔结构，通过两个控制因子Sf和Sv调节结构的孔隙率，并在 Voronoi 划分出的多面体中生成孔径球，用来评估多孔结构的孔径尺寸。

研究结论：1）本文以Voronoi图原理为基础构建了与实际开孔泡沫材料微观结构相似的模型即三维Voronoi开孔泡沫模型，并定义了扰动因子K作为衡量三维Voronoi开孔泡沫模型不规则程度的参数。

2）给出了三维Voronoi开孔泡沫线模型的生成方法：首先在MATLAB中生成形核点，根据形核点的分布生成Voronoi闭孔泡沫模型；然后将闭孔泡沫模型导入ANSYS-APDL中生成Voronoi开孔泡沫线模型。

3）介绍了三维Voronoi开孔泡沫实体模型的生成过程：将线模型导入CAD中生成Voronoi开孔泡沫实体模型。

4）使用光固化打印技术并利用M160打印机打印出本文设计的实物泡沫模型，通过力学和声学实验与仿真进一步验证了生成模型的准确性。

引用格式：屈青珩. 一种基于Voronoi图的三维开孔泡沫模型构建方法[J]. 航空工程进展, 2024, 15(5): 58-66. QU Qingheng. A method for constructing a 3D open-cell foam model based on Voronoi diagram[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2024, 15(5): 58-66. (in Chinese)

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