OptFuture | 蜂窝晶格应用示例

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前言

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蜂窝晶格（Honeycomb）是最为常见的晶格结构之一，在结构上具有平面内二维单元阵列和平面外平行堆叠的周期性拓扑分布特征。相对于基材，其拥有更高的孔隙率和更低的质量。蜂窝晶格拥有比强度高、比刚度高和比吸能高的特性，可作为轻质高承载结构件。此外，由于蜂窝晶格可通过结构方向的变换使内部结构保持开放，因此具有散热、吸能、隐身和减振降噪等特性，被广泛应用在建筑、汽车、船舶、航空航天和纳米制造等领域。

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蜂窝晶格分类

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常见的蜂窝晶格有六边形、三角形、正方形、凹角六边形、双v型、手性结构、星形等。在OptFuture 3.1版本中，晶格结构模块增加了蜂窝类晶格，当前库中包含三角形蜂窝晶格、六边形蜂窝晶格和矩形蜂窝晶格。表1列举了OptFuture晶格结构模块中包括的蜂窝晶格。

表1 OptFuture蜂窝晶格库

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蜂窝晶格应用

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高速运动装备的零部件设计广泛使用了蜂窝晶格作为填充晶格，这种设计可以大幅降低装备质量，提高设备运动速度。此外，一体化蜂窝晶格结构设计减少连接件的使用，结合3D金属打印替代传统加工的组合件，可以大幅提高设备运行的稳定性。图1为某运动装备模组中不同结构分别使用三角形蜂窝、六边形蜂窝和四边形蜂窝填充示意。

图1 运动装备轻量化示意

表面蜂窝晶格纹理可以降低原材料成本并减轻其重量，同时增加结构的刚度和强度，并增加外观设计美感。薄结构表面使用晶格纹理还可以避免因应力不均导致翘曲问题。图2为车门结构内侧表面生成的六边形蜂窝晶格纹理示意。

图2 车门表面的六边形蜂窝纹理

VR眼镜保护外壳是典型的薄结构，它的功能主要用于防止头显设备因撞击，磨损等外部因素而损坏。在设计过程中，产品端对保护外壳的设计提出了轻量化的高要求。为此设计师使用拓扑优化和蜂窝晶格填充相结合的设计方法得到意想不到的设计效果，图3中为VR眼镜保护外壳设计示意图。其中拓扑优化的优化目标为静柔度最小，约束为质量上限40%。蜂窝晶格使用六边形蜂窝晶格，体分比为0.3。

图3 使用拓扑优化和蜂窝晶格设计的VR眼镜外壳

电磁屏蔽的原理是利用金属屏蔽体对通过的电磁波进行反射和吸收来屏蔽辐射的干扰源，使用不同材料、结构形状和结构孔缝的设计可以屏蔽不同频段和波长的电磁波。军用和民用设备中常使用蜂窝结构的电磁屏蔽板，主要应用于电子设备的必要通风开口处，可兼顾EMI屏蔽和良好通风的双重作用。图4为不同安装形状的蜂窝结构电磁屏蔽通风板示意。