CN105605411B - 复合材料曲面结构单元和复合材料胞元点阵结构 - Google Patents
复合材料曲面结构单元和复合材料胞元点阵结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种复合材料曲面结构单元和复合材料胞元点阵结构,其中,复合材料曲面结构单元包括:连接部,连接部的中心开设中央孔;连接部的边缘延伸出四个结构单元杆,结构单元杆的顶端设置有连接孔;各结构单元杆的连接孔以及中央孔位于不同平面;中央孔,用于固定连接另外四个复合材料曲面结构单元上的连接孔。从而可以利用本发明提供的复合材料曲面结构单元,进行机械拼装以组成大尺寸的点阵结构,本发明提供的复合材料曲面结构单元易被制备为大尺寸结构件,制作方便,能够进行大批量生产,并且大幅降低制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及材料技术领域,尤其涉及一种复合材料曲面结构单元和复合材料胞元点阵结构。
背景技术
随着材料技术的发展,具有轻质、高效结构且内部空间开发的点阵结构得到了空前的发展和应用。其中,复合材料点阵结构具有强度高、空隙率大、内部易于布线和内部易于埋置小型元器件等特点,具有热控、储能等多种功能,复合材料点阵结构被越来越多的应用到工业制造中。
现有技术中的复合材料点阵结构,一般都是采用纤维等材料,不断的进行穿插而构成在空间周期性排列的结构。而现有技术中通过不断的进行穿插而形成的点阵结构,这样的点阵结构不易被制备为大尺寸结构件。
发明内容
本发明提供一种复合材料曲面结构单元和复合材料胞元点阵结构,用以解决现有技术中的复合材料点阵结构,一般都是采用纤维等材料,不断的进行穿插而构成在空间周期性排列的结构。而现有技术中通过不断的进行穿插而形成的点阵结构,这样的点阵结构不易被制备为大尺寸结构件的问题。
本发明的第一方面是提供一种复合材料曲面结构单元,包括:
连接部,所述连接部的中心开设中央孔;
所述连接部的边缘延伸出四个结构单元杆,所述结构单元杆的顶端设置有连接孔;
各所述结构单元杆的连接孔以及所述中央孔位于不同平面;
所述中央孔,用于固定连接另外四个所述复合材料曲面结构单元上的连接孔。
如上所述的复合材料曲面结构单元中,各所述连接孔与所述中央孔之间的距离相同。
如上所述的复合材料曲面结构单元中,所述复合材料曲面结构单元为一体成型的。
如上所述的复合材料曲面结构单元中,所述复合材料曲面结构单元为热塑性复合材料的复合材料曲面结构单元。
如上所述的复合材料曲面结构单元中,所述中央孔的面积大于所述连接孔的面积;
所述中央孔为第一预设形状的中央孔,所述连接孔为第二预设形状的连接孔。
本发明的第二方面是提供一种复合材料胞元点阵结构,包括:
5*N个如第一方面中的任一项所述的复合材料曲面结构单元,以及10*N个连接销钉;
2个所述连接销钉,用于将四个所述复合材料曲面结构单元上的连接孔固定连接在另外一个所述复合材料曲面结构单元的中央孔中;
其中,N为大于0的正整数。
如上所述的复合材料胞元点阵结构中,所述连接销钉为U型销钉;
所述连接销钉包括第一端部和第二端部,所述第一端部的长度大于所述第二端部的长度。
如上所述的复合材料胞元点阵结构中,所述2个所述连接销钉相对应的卡设在一个复合材料曲面结构单元的中央孔的边缘上;
所述连接销钉的所述第一端部和所述第二端部,插设在与一个复合材料曲面结构单元相对应的另外四个复合材料曲面结构单元的连接孔中;
2个所述连接销钉中的一个连接销钉的第一端部,与另一个连接销钉的第二端部相对应;2个所述连接销钉中的一个连接销钉的第二端部,与另一个连接销钉的第一端部相对应。
如上所述的复合材料胞元点阵结构中,所述复合材料胞元点阵结构的外部包覆有半刚性蒙皮。
如上所述的复合材料胞元点阵结构中,各所述复合材料曲面结构单元的大小相同,或各不相同。
本发明提供一种复合材料曲面结构单元,包括连接部,连接部的中心开设中央孔;连接部的边缘延伸出四个结构单元杆,结构单元杆的顶端设置有连接孔;各结构单元杆的连接孔以及中央孔位于不同平面;中央孔,用于固定连接另外四个复合材料曲面结构单元上的连接孔。从而可以利用本发明提供的复合材料曲面结构单元,进行机械拼装以组成大尺寸的点阵结构,本发明提供的复合材料曲面结构单元易被制备为大尺寸结构件,制作方便,能够进行大批量生产,并且大幅降低制作成本。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的复合材料曲面结构单元的结构示意图;
图2为本发明实施例二提供的复合材料曲面结构单元的侧视图;
图3为本发明实施例二提供的复合材料曲面结构单元的俯视图;
图4为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的结构示意图一;
图5为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的结构示意图二;
图6为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的正视图一;
图7为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的结构示意图三;
图8为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的正视图二;
图9为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的结构示意图四;
图10为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的连接销钉的结构示意图;
图11为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的连接销钉的俯视图;
图12为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的连接销钉的连接关系示意图;
图13为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的第一种单元晶胞的结构示意图;
图14为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的第二种单元晶胞的结构示意图。
附图标记:
1-复合材料曲面结构单元 2-连接部 3-中央孔 4-结构单元杆
5-连接孔 6-连接销钉 7-第一端部 8-第二端部9-半刚性蒙皮
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一提供的复合材料曲面结构单元的结构示意图,如图1所示,本实施例提供的复合材料曲面结构单元1,包括:
连接部2,连接部2的中心开设中央孔3;
连接部2的边缘延伸出四个结构单元杆4,结构单元杆4的顶端设置有连接孔5;
各结构单元杆4的连接孔5以及中央孔3位于不同平面;
中央孔3,用于固定连接另外四个复合材料曲面结构单元1上的连接孔5。
在本实施例中,具体的,复合材料曲面结构单元1的材料为复合材料,包括了连接部2,在连接部2的中心开设了一个中央孔3,中央孔3的形状不做限定。连接部2的边缘分别朝向四个方向延伸出四个结构单元杆4,各个结构单元杆4的顶端设置有连接孔5,连接孔5的形状不做限定。其中,各结构单元杆4的连接孔5以及中央孔3位于不同平面,从而四个结构单元杆4的连接孔5以及中央孔3分别位于五个平面内。
可以将另外四个复合材料曲面结构单元1上的连接孔5固定连接在中央孔3中。由于一个复合材料曲面结构单元1中各连接孔5以及中央孔3位于不同平面,从而可知四个复合材料曲面结构单元1一端的连接孔5在第五个复合材料曲面结构单元1的中央孔3内进行交汇拼装,即第五个复合材料曲面结构单元1的中央孔3内连接了四个分别归属于不同的复合材料曲面结构单元1的连接孔5。四个分别归属于不同的复合材料曲面结构单元1的连接孔5,在中央孔3内的排列顺序根据实际需求而设定。
本实施例提供的复合材料曲面结构单元1,可以采用短纤维增强复合材料成型工艺、或长纤维增强热塑性材料(Long Fiber reinforced Thermoplastics,简称LFT)注塑成型工艺而制得。
本发明提供一种复合材料曲面结构单元1,包括连接部2,连接部2的中心开设中央孔3;连接部2的边缘朝向四个方向延伸出四个结构单元杆4,各结构单元杆4的顶端分别设置有一个连接孔5,各结构单元杆4的连接孔5以及中央孔3位于不同平面;中央孔3用于固定连接另外四个复合材料曲面结构单元1上的连接孔5。从而可以利用本发明提供的复合材料曲面结构单元1,进行机械拼装以组成大尺寸的点阵结构,本发明提供的复合材料曲面结构单元1易被制备为大尺寸结构件,制作方便,能够进行大批量生产,并且大幅降低制作成本。
图2为本发明实施例二提供的复合材料曲面结构单元的侧视图,图3为本发明实施例二提供的复合材料曲面结构单元的俯视图,在实施例一的基础上,如图2和图3所示,本实施例提供的复合材料曲面结构单元1,各连接孔5与中央孔之间的距离相同。
复合材料曲面结构单元1为一体成型的。
复合材料曲面结构单元1为热塑性复合材料的复合材料曲面结构单元1。
中央孔3的面积大于连接孔5的面积;
中央孔3为第一预设形状的中央孔3,连接孔5为第二预设形状的连接孔5。
在本实施例中,具体的,一个复合材料曲面结构单元1中的各结构单元杆4的连接孔5与中央孔之间的距离相同。具体来说,复合材料曲面结构单元1的形态随着预先设计各个结构单元杆4的排列顺序的变化而变化,但是如图2和图3所示,图中角a1与角a2的大小不同,a1与t1/l1有关,a2与t2/l2有关,t1和t2为分别两个结构单元杆4的厚度,l1和l2为分别两个结构单元杆4的长度;t1/l1、t2/l2的比值越大,相应的角a1、角a2就越大。
复合材料曲面结构单元1为一体成型的。并且,复合材料曲面结构单元1为热塑性复合材料的复合材料曲面结构单元1,可以是以玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等增强热塑性树脂材料的复合材料曲面结构单元1。
中央孔3的面积大于连接孔5的面积,从而中央孔3可以容纳四个连接孔5;中央孔3为第一预设形状的中央孔3,连接孔5为第二预设形状的连接孔5,具体来说,中央孔3、各连接孔5的具体形状可以根据实际设计需求而设定。
本实施例通过将复合材料曲面结构单元1为一体成型的,从而易于将多个复合材料曲面结构单元1设计为大尺寸的点阵结构;复合材料曲面结构单元1为热塑性复合材料的复合材料曲面结构单元1,从而降低了曲面结构单元的重量以及成本,进而降低了由多个复合材料曲面结构单元1拓扑而构成的大尺寸的点阵结构的重量以及成本;可以利用本发明提供的复合材料曲面结构单元1,进行机械拼装以组成大尺寸的点阵结构,本发明提供的复合材料曲面结构单元1易被制备为大尺寸结构件,制作方便,能够进行大批量生产,并且大幅降低制作成本。
图4为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的结构示意图一,图5为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的结构示意图二,图6为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的正视图一,图7为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的结构示意图三,图8为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的正视图二,图9为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构的结构示意图四,图10为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的连接销钉的结构示意图,图11为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的连接销钉的俯视图,图12为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的连接销钉的连接关系示意图,图13为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的第一种单元晶胞的结构示意图,图14为本发明实施例三提供的复合材料胞元点阵结构中的第二种单元晶胞的结构示意图,如图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13和图14所示,本实施例提供的复合材料胞元点阵结构,包括:5*N个实施例一和实施例二提供的复合材料曲面结构单元1,以及10*N个连接销钉6;
2个连接销钉6,用于将四个复合材料曲面结构单元1上的连接孔5固定连接在另外一个复合材料曲面结构单元1的中央孔3中;
其中,N为大于0的正整数。
连接销钉6为U型销钉;连接销钉6包括第一端部7和第二端部8,第一端部7的长度大于第二端部8的长度。
2个连接销钉6相对应的卡设在一个复合材料曲面结构单元1的中央孔3的边缘上;连接销钉6的第一端部7和第二端部8,插设在与一个复合材料曲面结构单元1相对应的另外四个复合材料曲面结构单元1的连接孔5中;2个连接销钉6中的一个连接销钉6的第一端部7,与另一个连接销钉6的第二端部8相对应;2个连接销钉6中的一个连接销钉6的第二端部8,与另一个连接销钉6的第一端部7相对应。
复合材料胞元点阵结构的外部包覆有半刚性蒙皮9。
各复合材料曲面结构单元1的大小相同,或各不相同。
在本实施例中,具体的,复合材料胞元点阵结构包括了5*N个复合材料曲面结构单元1,以及10*N个连接销钉6,其中,N为大于0的正整数;复合材料曲面结构单元1采用实施例一和实施例二中提供的复合材料曲面结构单元1。复合材料曲面结构单元1的材料为复合材料,见实施例一中的图1,包括了连接部2,在连接部2的中心开设了一个中央孔3,中央孔3的形状不做限定。连接部2的边缘分别朝向四个方向延伸出四个结构单元杆4,各个结构单元杆4的顶端设置有连接孔5;其中,各结构单元杆4的连接孔5以及中央孔3位于不同平面,从而四个结构单元杆4的连接孔5以及中央孔3分别位于五个平面内;可以将另外四个复合材料曲面结构单元1上的连接孔5固定连接在中央孔3中。可以采用2个连接销钉6将四个复合材料曲面结构单元1上的连接孔5,固定连接在另外一个复合材料曲面结构单元1的中央孔3中。
连接销钉6为U型销钉,连接销钉6的开口处具有第一端部7和第二端部8,第一端部7的长度大于第二端部8的长度。2个连接销钉6的开口相对应的卡设在一个复合材料曲面结构单元1的中央孔3的边缘上;并且2个连接销钉6的各连接销钉6的第一端部7和第二端部8,插设在与一个复合材料曲面结构单元1相对应的另外四个复合材料曲面结构单元1的连接孔5中;从而2个连接销钉6的各连接销钉6的第一端部7和第二端部8,插设在四个连接孔5中,从而将五个复合材料曲面结构单元1进行了连接。其中,2个连接销钉6中的一个连接销钉6的第一端部7,与另一个连接销钉6的第二端部8相对应;2个连接销钉6中的一个连接销钉6的第二端部8,与另一个连接销钉6的第一端部7相对应;进而保证了2个连接销钉6可以牢固的将五个复合材料曲面结构单元1进行连接。
连接销钉6的形状根据本发明提供的符合材料曲面结构单元的连接孔5的形状而设定,连接销钉6的具体形状不做限定;连接销钉6的材料可选自热塑性复合材料、金属材料等材料,连接销钉6的具体材料不做限定。
多个复合材料曲面结构单元1可以利用机械连接的方式环环相扣进行连接,以形成不同形状的复合材料胞元点阵结构,具体来说,四个复合材料曲面结构单元1一端的一个连接孔5在第五个复合材料曲面结构单元1的中央孔3内进行交汇拼装,采用2个相对应的连接销钉6进行连接;拼装时,各连接孔5在中央孔3内的排列顺序根据实际设计需求而设定,预先确定排列顺序不同会导致复合材料胞元点阵结构的形状不同;拼装后,每个复合材料曲面结构单元1的结构单元杆4为主要承力的地方。
将不同个数的复合材料曲面结构单元1,拼装成不同形状的复合材料胞元点阵结构的时候,可以选定一种拼装顺序方式,将多个复合材料曲面结构单元1拼装到一定体积后,可以构成一种形态的复合材料胞元点阵结构;不同的拼装顺序方式,以及不同个数的复合材料曲面结构单元1,可以构成多种形态的复合材料胞元点阵结构,如图5、图6、图7和图8所示,其中,图5与图6相对应,图7和图8相对应。从而构成了一个晶体,在晶格内可见两种单元晶胞;第一种单元晶胞如图13所示,由长度相等的结构单元杆4组成八面体的单元晶胞,每个单元晶胞内有六个顶点,十二根结构单元杆4,八面体组成单元晶胞类似于钙钛矿的晶体结构;第二种单元晶胞如图14所示,由长度相等的结构单元杆4组成的十四面体的单元晶胞,每个单元晶胞内有十二个顶点,二十四根结构单元杆4,单元晶胞在三维空间中周期拓扑构成结构效率高的多孔结构。
其中,各复合材料曲面结构单元1的大小相同,或各不相同,从而构成的复合材料胞元点阵结构的形态多样化。
复合材料胞元点阵结构的外部包覆有半刚性蒙皮9;半刚性蒙皮9是包裹在已拼装成型的复合材料胞元点阵结构外部的半刚性材料,在复合材料胞元点阵结构受力时,在该复合材料胞元点阵结构的表面上的节点点连接处,既能够传递弯矩,又能够传递相应的轴向力,使力作用在复合材料胞元点阵结构表面的节点上。半刚性蒙皮9可选帆布、半刚性铝合金等材料。
并且,在复合材料胞元点阵结构中可以填充填充物,填充物可以聚氨酯泡沫、石墨、橡胶、石膏、聚苯乙烯泡沫、活性炭或碳黑等。
本实施例通过提供一种复合材料胞元点阵结构,包括了5*N个复合材料曲面结构单元1,以及10*N个连接销钉6,其中,N为大于0的正整数;其中,复合材料曲面结构单元1可以采用实施例一和实施例二提供的复合材料胞元点阵结构;2个相对设置的连接销钉6,将四个复合材料曲面结构单元1上的连接孔5固定连接在另外一个复合材料曲面结构单元1的中央孔3中。从而可以将不同个数的复合材料曲面结构单元1,拼装成不同形状的复合材料胞元点阵结构。降低了曲面结构单元的重量以及成本,进而降低了由多个复合材料曲面结构单元1拓扑而构成的大尺寸的点阵结构的重量以及成本;本实施例提供的复合材料胞元点阵结构易于拼装和制备,且复合材料胞元点阵结构易被制备为大尺寸结构件,复合材料胞元点阵结构以及大尺寸结构件的制作方便、能够进行大批量生产、并且大幅降低制作成本。本实施例提供的复合材料胞元点阵结构,可以自动化生产,生产效率较高,成本较低;且构成复合材料胞元点阵结构的复合材料曲面结构单元1的质量稳定性高,从而保证了复合材料胞元点阵结构的结构安全性;构成复合材料胞元点阵结构的复合材料曲面结构单元1的尺寸、形状可进行改变,且通过不同的组装形状可以满足对各种复合材料胞元点阵结构的形状要求;复合材料胞元点阵结构体的力学性能好,比模量较高;复合材料胞元点阵结构易于组装,且易于拆卸,构成复合材料胞元点阵结构的复合材料曲面结构单元1根据需求进行拆卸修理或回收,复合材料胞元点阵结构的组装、拆卸、修改、修复和再使用都只通过一种拆装程序,无需额外工艺。并且,连接销钉6为U型销钉,连接销钉6的第一端部7的长度大于第二端部8的长度,2个连接销钉6相对应的设置在一个复合材料曲面结构单元1的中央孔3的边缘上、以及与一个复合材料曲面结构单元1相对应的另外四个复合材料曲面结构单元1的连接孔5中;从而可以使得各复合材料曲面结构单元1进行牢固的连接,保证了复合材料胞元点阵结构的整体的牢固性能。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种复合材料曲面结构单元,其特征在于,包括:
连接部,所述连接部的中心开设中央孔;
所述连接部的边缘延伸出四个结构单元杆,所述结构单元杆的顶端设置有连接孔;
各所述结构单元杆的连接孔以及所述中央孔位于不同平面;
所述中央孔,用于固定连接另外四个所述复合材料曲面结构单元上的连接孔。
2.根据权利要求1所述的复合材料曲面结构单元,其特征在于,各所述连接孔与所述中央孔之间的距离相同。
3.根据权利要求1所述的复合材料曲面结构单元,其特征在于,所述复合材料曲面结构单元为一体成型的。
4.根据权利要求1-3任一项所述的复合材料曲面结构单元,其特征在于,所述复合材料曲面结构单元为热塑性复合材料的复合材料曲面结构单元。
5.根据权利要求1-3任一项所述的复合材料曲面结构单元,其特征在于,所述中央孔的面积大于所述连接孔的面积;
所述中央孔为第一预设形状的中央孔,所述连接孔为第二预设形状的连接孔。
6.一种复合材料胞元点阵结构,其特征在于,包括:
5*N个如权利要求1-5任一项所述的复合材料曲面结构单元,以及10*N个连接销钉;
2个所述连接销钉,用于将四个所述复合材料曲面结构单元上的连接孔固定连接在另外一个所述复合材料曲面结构单元的中央孔中;
其中,N为大于0的正整数。
7.根据权利要求6所述的复合材料胞元点阵结构,其特征在于,所述连接销钉为U型销钉;
所述连接销钉包括第一端部和第二端部,所述第一端部的长度大于所述第二端部的长度。
8.根据权利要求7所述的复合材料胞元点阵结构,其特征在于,所述2个所述连接销钉相对应的卡设在一个复合材料曲面结构单元的中央孔的边缘上;
所述连接销钉的所述第一端部和所述第二端部,插设在与一个复合材料曲面结构单元相对应的另外四个复合材料曲面结构单元的连接孔中;
2个所述连接销钉中的一个连接销钉的第一端部,与另一个连接销钉的第二端部相对应;2个所述连接销钉中的一个连接销钉的第二端部,与另一个连接销钉的第一端部相对应。
9.根据权利要求6-8任一项所述的复合材料胞元点阵结构,其特征在于,所述复合材料胞元点阵结构的外部包覆有半刚性蒙皮。
10.根据权利要求6-8任一项所述的复合材料胞元点阵结构,其特征在于,各所述复合材料曲面结构单元的大小相同,或各不相同。
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