西交大| 增材制造仿生设计：仿肺泡交错贯穿式空心点阵超结构，实现承载-吸能-换热多功能一体化集成！

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开发了基于X射线扫描数据的分区分配厚度的精细有限元模型 ，在不增加计算时间的情况下 实现仿真与实验结果的高精度吻合 。研究还通过 梯度化设计成功抑制了剪切带的形成 。结果表明：（1）60°结构的屈服应力和弹性模量最高；45°结构的能量吸收效率最高，可达90%；30°结构的应力平台最平缓，没有剪切带，能量吸收效率较高。（2）双管道嵌套结构的动态自支撑效应明显，其中30°结构相较于单管道结构， 承载能力提升了40.8%，能量吸收能力提高了51% 。（3）梯度设计成功实现剪切带的抑制，将能量吸收率提高了26%。（4）相对于传统结构，本结构在中高相对密度（>0.12）条件下表现出卓越的承载能力和能量吸收特性，同时还具备非常优异的综合换热性能（图4）。

图3、肺泡仿生贯穿式交错双空心管嵌套结构自支撑效应分析

图4、肺泡仿生点阵与其他点阵结构的性能对比：（a）比能量吸收，（b）相对抗压强度，（c）相对模量，（d）综合换热性能评价。

【论文创新点】

（1）提出了一种具有高比表面积和自支撑效应的 肺泡仿生交错贯穿式空心点阵超结构 ；(2) 开发了面向空间增材工艺特征的 分区变厚精细化有限元模型 ，实现高效仿真与实验结果的高精度吻合；（3）实现轻质高强、抗冲击吸能、高效换热的 多功能一体化集成 。

本研究为复合极端工况下的承载需求提供了仿生学新范式。该特殊结构具有高抗压能力、高能量吸收效率、高比表面积、轻质设计、耐腐蚀材料以及单胞嵌套和交错管路 等特点。这些特性赋予了它在航天航空、电池承载等领域下多功能应用的巨大潜力。

相关成果以“Superior compressive behaviour of alveolar biomimetic interlaced hollow lattice metastructures”为题发表于国际权威期刊《 Virtual and Physical Prototyping 》，论文链接： https://doi.org/10.1080/17452759.2025.2512166

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