一种基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构的制作方法

1.本发明属于能量吸收结构的技术领域，具体涉及一种基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构。

背景技术：

2.当发生冲击、爆炸或碰撞等事故时产生强烈的冲击载荷作用于飞机舰艇等结构后，使其产生强烈的冲击振动，导致结构出现严重的塑性变形和破坏，从而使航空器、舰艇或车辆丧失正常运行的能力甚至造成重大的生命财产损失。如何保证结构在受到强动载冲击后不发生严重的事故，已成为结构安全防护领域中极为关注的课题。因此，蜂窝结构、轻质夹芯板及多孔泡沫材料填充管、点阵材料等结构应运而生。当受到冲击载荷作用时利用吸能结构的塑性变形能够有效地将冲击能量转化为结构的塑性变形能，从而保护结构和乘员的人身安全。
3.其中，点阵材料是由结点和连接杆件组成的多孔材料，具有轻质、高强、吸能等特性，常见的拓扑构型有四面体、金字塔和体心立方等。针对特定的应用背景，可以通过控制点阵材料的结构来调整点阵的多功能特性，因此点阵结构作为轻量化工业构件、骨支架和缓冲器在航天航空、组织工程等领域中广泛应用。
4.然而，在冲击载荷作用的过程中，其他类型的拉伸主导型点阵结构在压溃过程中会产生比较大的峰值载荷，对重要的精密设备或者人体安全产生初始损伤；此外，传统的体心立方实心杆元点阵结构在压溃过程中的平台载荷往往比较低，直接的后果是不能充分吸收动能而对结构或者人体造成严重伤害，或者违背轻量化设计原则而增加结构重量。
5.因此，在继承传统弯曲主导型的体心立方点阵构型的基础上，如何在不增加结构重量的前期下提高点阵结构的能量吸收能力，是一件极具挑战性的工作。对于新型能量吸收装置的开发、抗冲击防护系统的构建及降低生命财产损失有着重要的意义。

技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对传统的体心立方点阵结构在承受冲击过程中存在的问题，提出了一种基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构。当该结构在承受爆炸、冲击或碰撞等工况时能够有效地将冲击能量转化为结构塑性应变能，同时避免了较大初始峰值载荷造成的伤害，为抗冲击安全防护提供了更加方便、经济及安全的保障。
7.为了达到以上目的，本发明的技术方案为：
8.一种基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，为实现轻量化设计，由可变杆径、可变壁厚的空心杆元通过端节点连接形成基本的胞元，所述胞元经过周期阵列排布形成高比刚度、高比吸能的点阵结构；所述空心杆元的直径和壁厚均呈平滑过渡变化，以避免应力集中现象。
9.进一步地，所述可变杆径的空心杆元为所述其直径沿着空心杆元的轴向连续平滑变化的，变化函数服从样条函数或者正余弦分布。
10.进一步地，对于变杆径的空心杆元，其直径在空心杆元的两个端部最大，在中点处最小。
11.进一步地，所述的空心杆元的壁厚沿着空心杆元的轴向方向是可调控的。
12.进一步地，所述空心杆元的壁厚在空心杆元的连接段壁厚最大，在中心点处壁厚最小，变化规律符合样条函数。
13.进一步地，所述可变杆径、可变厚度的空心杆元的基本结构可用于菱形十二面体、面心立方、体心立方构型的弯曲主导型的吸能结构中。
14.进一步地，根据实际使用需要，所述胞元沿着空间的x，y，z轴方向复制阵列，形成具有可调控力学性能的体心立方的点阵结构。
15.进一步地，所述空心杆元分为常杆径的，用于替换所述可变杆径的空心杆元，其中，常杆径为所述空心杆元的直径沿着空心杆元的长度方向保持不变。
16.本发明与现有技术相比的有益效果：
17.1.本发明的体心立方点阵结构，作为一种高比强度、比刚度、抗冲击的点阵结构可作为承受爆炸、冲击及强碰撞等安全防护系统，广泛应用于航空航天、船舶及汽车等工程防护领域抗冲击能量吸收系统，或者是核能装备、舰艇结构的抗爆炸安全防护装置。
18.2.本发明的体心立方点阵结构能够避免其他传统点阵结构承受冲击载荷时产生的初始峰值载荷，减小了对被保护结构造成的严重初始伤害。相比于传统体心立方点阵结构，本发明的体心立方点阵结构能够在同等质量前提下极大提高结构的能量吸收能力，对结构及人体的安全防护提供了更为安全的保障。
19.3.本发明的体心立方点阵结构，可单独作为承力和吸能的支撑结构，亦可作为多孔填充材料填入能量吸收装置中。同时可根据冲击载荷的大小来调整横向胞元的分布，根据冲击能量的大小来调整纵向胞元的拓展数目，以满足不同的能量吸收需求，具备较好的可调节性以及灵活性。
附图说明
20.图1为本发明的点阵结构代表性胞元的单根杆元立体图；
21.图2为本发明的点阵结构代表性胞元主视图；
22.图3为本发明的点阵结构代表性胞元立体图；
23.图4为本发明的点阵结构立体图；
24.图5为本发明的杆元部分的变厚度示意图；
25.图6为传统的体心立方和本发明的点阵结构承受压缩载荷时有限元结果分析图；
26.图7为变杆径点阵结构在杆元变厚度和不变厚度下的载荷对比和能量吸收对比分析图；
27.图8为常杆径点阵结构在杆元变厚度和不变厚度下的载荷对比和能量吸收对比分析图。
具体实施方式
28.下面结合附图及实例对本发明进行详细说明，下文中通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明中提出了新型的空心杆元点阵结构，而不能视为对本发明的
限制。
29.本发明提出了一种基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，如附图4所示，其为体心立方的结构。下面根据附图1到图5，对本发明实施例的点阵结构进行详细的描述。根据本发明的实施例，如附图1所示，为体心立方点阵结构的最小重复单元——空心杆元，分为常杆径和变杆径两种。所述常杆径的杆元直径沿轴向不变，变杆径的杆元直径沿轴向连续变化，变化趋势服从样条曲线或三角函数，杆元两端直径最大，杆元中心处直径最小。将附图1所示的空心杆元经过复制对称与连接，可形成点阵结构的最小代表性单元——胞元，如附图2、3所示。胞元是体心立方的点阵结构的基本单元，按照实际冲击能量和载荷需要，通过3个方向的阵列拓展，如附图4所示，可形成力学性能可调的采用空心杆元的体心立方的点阵结构。
30.优选的，本发明的体心立方的点阵结构的代表性胞元由连接体心立方的角点与中心点的多根空心杆元连接而成，以实现轻量化设计。其中，所述的构成代表性胞元的8根空心杆元大小尺寸一致，空心杆元的壁厚沿空心杆元的轴向保持不变。
31.优选地，本发明中的最小重复单元——空心杆元的壁厚，可呈现连续平滑的变化，变化函数服从样条曲线，空心杆元两端的壁厚最大，在杆元中心处壁厚最小，如图5所示，灰轮廓线表示厚度不变，黑轮廓线表示变厚度设计。最小壁厚不宜过小以保证必要的强度要求。
32.所述的体心立方的点阵结构在代表性胞元的基础上，沿着x、y、z轴三个方形均可复制、阵列拓展，形成规模更大、性能可调的多孔轻质点阵结构，以提高材料结构的强度与吸能效率。
33.本发明的原理在于：本发明的体心立方点阵结构，通过增强单根空心杆元的刚度以增加整体结构的抗弯刚度，通过增加单根空心杆元的变形过程中塑性铰的数目以提高整体结构的能量吸收能力。当体心立方点阵结构受到冲击载荷作用时，整个体心立方点阵结构处于均匀受压状态，通过材料的永久塑性变形，将外力功或动能转化为体心立方的点阵结构自身的应变能，以减少冲击动能与冲击载荷，有效保护紧密设备和人员的生命安全。
34.以下根据有限元软件ls-dyna软件介绍本发明的体心立方的点阵结构在承受压缩载荷作用时的能量吸收特性。本发明的体心立方的点阵结构位于两块钢板之间，下层钢板保持固定，上层钢板均匀下移，不断压缩本实施例的采用空心杆元的体心立方点阵结构。本实施例的体心立方的点阵结构的胞元长宽高均为25mm，各方向阵列个数均为3，点阵结构尺寸为75mm
×
75mm
×
75mm；所述体心立方的点阵结构的空心杆元壁厚均为0.6mm。当其承受低速冲击载荷时，整个结构均匀受压，产生稳定的屈曲模式，从附图6的载荷-位移曲线可以看出，在同等质量情况下空心常杆径胞元点阵结构相比于传统的实心杆元，吸能平台力提高了约50％，而空心变杆径胞元点阵结构相比于传统实心杆元点阵结构，吸能平台力提高了200-300％。因此本发明中的体心立方的点阵结构与传统的体心立方点阵结构相比，既没有初始载荷又显著提高了平台力，进而增加了点阵结构的比吸能，实现了较好的轻量化设计。如图7和图8所示，为空心变杆径点阵结构和空心常杆径点阵结构在厚度保持不变与厚度连续变化下的吸能平台力和能量吸收效果的对比分析图，由图可知，厚度的合理分布设计能够继续提高结构的吸能平台力和比吸能，最大化利用材料依靠塑性变形吸收冲击能量的能力。
35.提供以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而不是限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

技术特征：

1.一种基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，其特征在于：为实现轻量化设计，由可变杆径、可变壁厚的空心杆元通过端节点连接形成基本的胞元，所述胞元经过周期阵列排布形成高比刚度、高比吸能的点阵结构；所述空心杆元的直径和壁厚均呈平滑过渡变化，以避免应力集中现象。2.根据权利要求1所述的基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，其特征在于：所述可变杆径的空心杆元为所述其直径沿着空心杆元的轴向连续平滑变化的，变化函数服从样条函数或者正余弦分布。3.根据权利要求2所述的基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，其特征在于：对于变杆径的空心杆元，其直径在空心杆元的两个端部最大，在中点处最小。4.根据权利要求1所述的基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，其特征在于：所述的空心杆元的壁厚沿着空心杆元的轴向方向是可调控的。5.根据权利要求4所述的基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，其特征在于：所述空心杆元的壁厚在空心杆元的连接段壁厚最大，在中心点处壁厚最小，变化规律符合样条函数。6.根据权利要求1所述的基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，其特征在于：所述可变杆径、可变厚度的空心杆元的基本结构可用于菱形十二面体、面心立方、体心立方构型的弯曲主导型的吸能结构中。7.根据权利要求1所述的基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，其特征在于：根据实际使用需要，所述胞元沿着空间的x，y，z轴方向复制阵列，形成具有可调控力学性能的体心立方的点阵结构。8.根据权利要求1所述的基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，其特征在于：所述空心杆元分为常杆径的，用于替换所述可变杆径的空心杆元，其中，常杆径为所述空心杆元的直径沿着空心杆元的长度方向保持不变。

技术总结

本发明公开了一种基于增材制造的力学性能可调的高比吸能点阵结构，由多个代表性胞元结构的空间阵列延拓布置得到。所述的代表性胞元结构是由体心立方的角点与中心点间的空心杆元通过节点连接构成，空心杆元的直径和壁厚在沿杆元轴线方向均可设计，点阵胞元属于弯曲主导型的吸能结构，所述的点阵结构可根据实际工作需要，由点阵胞元沿着空间3个方向复制阵列一定数量得到，形成较好的高比刚度、高比吸能的承压和吸能结构。本发明具有良好的抗弯性能，克服了传统同类型点阵结构在受到压缩载荷作用下存在的较小抵抗载荷的劣势，同时能更多地将承受的冲击能量转化为结构的塑性变形能，增大了结构压溃时的平台力及结构的比吸能。增大了结构压溃时的平台力及结构的比吸能。增大了结构压溃时的平台力及结构的比吸能。