Page 199 - 《爆炸与冲击》2026年第5期

第 46 卷 肖李军，等： 数据驱动点阵超材料多目标优化设计 第 5 期

单元（representative volume element，RVE）。通过调控节点间杆件的连接模式生成不同的晶胞构型。节点
两两连接最多可形成 28 种杆件组合，经三坐标平面镜像操作后，即可构建完整的点阵超材料晶胞结构，
具体建模流程见图 1(a)～(d)。在基于随机连接规则生成晶胞构型的过程中，部分组合可能会形成孤立杆
件或局部非连通的几何结构，为避免此类不完整构型对后续仿真和优化结果的影响，在建模阶段剔除存
在孤立杆件、非连通节点或其他不符合结构完整性要求的构型，确保最终结构库仅包含拓扑完整、可实
际制备的桁架点阵结构。为平衡轻量化与打印可行性，限定 1/8 单元内杆件数量≤9 根，相对体积分数≤
0.15，由此形成千万量级的结构样本空间。此外，采用 4×4×4 晶胞布局，以平衡计算效率与研究需求。

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3 4

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(a) RVE (b) Randomly generate (c) Mirror (d) Array
图 1 点阵超材料建模过程
Fig. 1 Modeling process of lattice metamaterial

实验所需的点阵超材料试样采用光固化成型技术制备，所使用的增材制造设备为 Form3 桌面级立
体光刻打印机。该设备的激光器功率为 250 mW，光斑直径为 0.085 mm，工作温度设定为 35 ℃，xy 平面
分辨率达到 0.025 mm。为了提高成型精度，打印层厚设置为 0.05 mm。此外，为满足设备工艺要求，设计
的点阵超材料晶胞尺寸为 15 mm，晶胞内杆件直径为 1.5 mm。
1.2 准静态压缩实验
为验证数值模拟数据集的准确性，采用电子万能试验机（SUNS, UTM5004）对所制备的点阵超材料
−1
试样开展准静态压缩实验。点阵试样高度为 60 mm，实验加载应变率设定为 0.001 s ，对应的加载速度
为 3.6 mm/min，加载至试样被完全压实。实验过程中，利用压头上部的传感器记录压头的加载力与位
移，从而可以计算出点阵超材料压缩过程的名义应力-应变曲线。同时，利用工业相机记录试样变形的全
过程，用于与数值模拟结果进行对比分析。
1.3 数值模拟分析
1.3.1 基体材料力学性能与材料模型
选用具有一定强度且韧性较好的 Tough-2000 树脂材料作为点阵超材料的基体材料，材料密度为
1 110 kg/m 。为获得其力学性能参数用于数值模拟，根据 ASTM-D638-14 标准直接打印制备了板状试
3

样 ， 并 利 用 材 料 试 验 机 开 展 准 静 态 拉 伸 实 验 。 70
Nominal stress-strain curve
图 2 给出了实验所得基体材料的名义应力-应变 60 True stress-strain curve
曲线和真实应力-应变曲线，可以确定其弹性模 50
量为 1 051 MPa，泊松比设定为 0.3。此外，选用 40
各向同性塑性强化模型描述材料的塑性行为，基 Stress/MPa 30
于材料的真实应力-应变曲线，提取有效塑性应
20
变与应力数据点，直接导入 Abaqus 中用于后续
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模拟计算。
1.3.2 结构建模与模拟 0 0.2 0.4 0.6 0.8
基于 Abaqus 平台构建梁单元有限元模型， Strain
用于模拟点阵超材料在准静态压缩载荷下的力 图 2 Tough-2000 的拉伸应力-应变曲线
学响应，并生成机器学习所需的数据集。根据 Fig. 2 Tensile stress-strain curves of Tough-2000

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