CN107100268B - 一种基于曲杆胞元的空间点阵材料 - Google Patents

一种基于曲杆胞元的空间点阵材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于曲杆胞元的空间点阵材料，包括N个胞元，每个胞元为两组曲杆通过胞元内节点连接而成，而每个胞元间通过胞元间节点进行连接，胞元在x,y,z方向进行延拓后成为三维空间点阵材料。所述的胞元中每组曲杆的曲率是不同的，而沿x,y,z方向上的相邻的每个胞元中每组曲杆的曲率也不同，从而实现不同方向的刚度（变形特性）按要求的梯度进行变化，这种空间点阵材料轻质高强，具有较大的冲击变形能力和较高的冲击能量吸收率，呈现出优异的抗冲击特性，该材料构造简易，生产成本低，适用性强，应用前景广阔。

Description

一种基于曲杆胞元的空间点阵材料
技术领域
本发明属于工程结构技术领域，具体涉及一种基于曲杆胞元的空间点阵材料。
背景技术
随着工程技术的迅猛发展，工程师们对结构轻量化及功能多样化提出了迫切的要求。超轻多孔材料是近年来随着材料制备与机械加工技术的迅速发展而出现的一类新型的多功能材料，具有结构功能一体化的显著特征。
点阵材料具有高孔隙率，可以通过对点阵材料的单胞构型设计使点阵结构具有高比强度、高比刚度、高抗弯强度的优点，使得在相同结构承载力作用下可节省大量的材料，大大减轻了结构自重。但传统点阵材料胞元的杆件一般为拉压型主导的直杆件，冲击变形能力较差，冲击能量吸收率较低。而且材料功能偏于单一化，各向的强度、刚度等性能比较均匀，不具备功能梯度的效果，难以满足当前工程领域在某些情况下对结构功能梯度的需求。为解决上述问题，发明一种具有较高的冲击能量吸收率的功能梯度空间点阵材料是十分必要的。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于曲杆胞元的空间点阵材料，能提高点阵材料的冲击能量吸收率，而且能够使该点阵材料根据需要具备一定的梯度特征，使其在刚度（变形特性）及冲击能量吸收率上具备梯度的特点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于曲杆胞元的空间点阵材料，包括N个胞元，每个胞元为两组曲杆通过胞元内节点连接而成，而每个胞元间通过胞元间节点进行连接，胞元在x, y, z方向进行延拓后成为三维空间点阵材料。所述的胞元中每组曲杆的曲率是不同的，而沿x, y, z方向上的相邻的每个胞元中每组曲杆的曲率也不同，从而实现不同方向的刚度（变形特性）按要求的梯度进行变化。
进一步的，所述的胞元的曲杆可由金属和非金属等材料构成。
进一步的，所述的胞元的曲杆截面形状可为圆形、矩形、多边形等。
进一步的，所述的胞元的曲杆曲线可为抛物线、正弦曲线、折线等。
进一步的，所述的沿x, y, z方向上的每个胞元的内部连接点和外部连接点的相对距离可发生变化。
进一步的，所述的每个胞元的z向投影可为正三角形、正四边形、正六边形等正多边形。
进一步的，所述的空间点阵材料最外层可与钢板、平面钢网架、混凝土板等结构相连接。
进一步的，所述的空间点阵材料最外层与钢板、平面钢网架、混凝土板等结构相连接后，可在其间填充泡沫混凝土、泡沫铝、泡沫塑料等泡沫材料。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过胞元内设置的曲杆，使得胞元内的杆件为弯曲主导的构件，该类构件的变形能力较强，当曲杆两端受到相邻杆件传递的作用力时，其较容易沿预弯方向进行变形，从而有效地将作用于曲杆的外力功通过自身的变形而消耗掉，从而提高了材料的冲击能量的吸收率；
2、本发明通过胞元的每组曲杆的曲率在x, y, z方向上的梯度变化实现材料的刚度（变形能力）及冲击能量吸收率在不同方向具备梯度变化的功能；
3、本发明将空间点阵材料与钢板、平面钢网架、混凝土板等结构相连接，可拓展该点阵材料的应用范围，能够应用于防撞板、防撞箱以及防护装置等结构；
4、本发明将空间点阵材料与钢板、平面钢网架、混凝土板等结构相连接后，并在其间填充泡沫混凝土、泡沫铝、泡沫塑料等泡沫材料，能够充分结合泡沫材料和点阵材料的特性，使结构具备隔声、隔热、吸能等多种功能。
附图说明
图1为本发明的点阵材料胞元延拓过程示意图；
图2为本发明的点阵材料单个胞元示意图；
图3为本发明的点阵材料与钢板连接示意图；
图4为本发明的点阵材料与平面钢网架连接示意图；
图5为本发明的点阵材料与平面钢网架、混凝土板连接示意图；
图6为本发明的点阵材料与混凝土板及泡沫材料连接示意图；
图7为本发明的z向投影具有正三角形的点阵材料示意图。
附图标记列表：
图2a）为单个胞元的透视图，图2b）为单个胞元的爆炸图，图2c）为单个胞元的俯视图，图2d）为单个胞元的侧视图，图2b）为单个胞元的ABCD截面；图7a）为z向投影具有正三角形的点阵材料透视图，图7b）为z向投影具有正三角形的点阵材料俯视图，图7c）为z向投影具有正三角形的点阵材料侧视图；单组曲杆（1），单组曲杆（2），延拓单组曲杆（1′），延拓单组曲杆（2′），胞元内节点（3），胞元外节点（4），钢板（5），平面钢网架（6），混凝土板（7），泡沫材料（8）。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1和图2所示：一种基于曲杆胞元的空间点阵材料，包括N个胞元，每个胞元为两组曲杆（1）、（2）通过胞元内节点（3）连接而成，而每个胞元间通过胞元间节点（4）进行连接，胞元在x, y, z方向进行延拓后成为三维空间点阵材料，所述的胞元中每组曲杆的曲率是不同的，而沿x, y, z方向上的相邻的每个胞元中每组曲杆的曲率也不同，从而实现不同方向的刚度（变形特性）按要求的梯度进行变化。所述的胞元的曲杆可由金属和非金属等材料构成。所述的胞元的曲杆截面形状可为圆形、矩形、多边形等。所述的胞元的曲杆曲线可为抛物线、正弦曲线、折线等，所述的沿x, y, z方向上的每个胞元的内部连接点和外部连接点的相对距离可发生变化。所述的每个胞元的z向投影可为正三角形、正四边形、正六边形等正多边形。
实施例1：如图3所示，胞元的曲杆为钢构件，胞元经z向延拓后通过胞元外节点（4）与钢板（5）相连。图中的胞元延拓曲杆（1′）、（2′）仅为示意，胞元可沿x, y, z方向进行延拓，点阵材料胞元的个数N可按要求确定。所述的胞元中每组曲杆的曲率在某一方向上按一定的梯度进行变化，而沿x, y, z方向上的每个胞元中每组曲杆的曲率也按一定的梯度进行变化，从而实现不同方向的刚度（变形特性）进行梯度变化。该结构可实现点阵材料表面耐冲击而点阵材料内部具有较强的变形吸能功能。
实施例2：如图4所示，胞元的曲杆为钢构件，胞元经z向延拓后通过胞元外节点（4）与平面钢网架（6）相连。图中的胞元延拓曲杆（1′）、（2′）仅为示意，胞元可沿x, y, z方向进行延拓，点阵材料胞元的个数N可按要求确定。所述的胞元中每组曲杆的曲率在某一方向上按一定的梯度进行变化，而沿x, y, z方向上的每个胞元中每组曲杆的曲率也按一定的梯度进行变化，从而实现不同方向的刚度（变形特性）进行梯度变化。该结构可实现点阵材料表面平整而点阵材料内部具有较强的变形吸能功能。
实施例3：如图5所示，胞元的曲杆为钢构件，胞元经z向延拓后通过胞元外节点（4）与平面钢网架（6）、混凝土板（7）相连。图中的胞元延拓曲杆（1′）、（2′）仅为示意，胞元可沿x, y, z方向进行延拓，点阵材料胞元的个数N可按要求确定。所述的胞元中每组曲杆的曲率在某一方向上按一定的梯度进行变化，而沿x, y, z方向上的每个胞元中每组曲杆的曲率也按一定的梯度进行变化，从而实现不同方向的刚度（变形特性）进行梯度变化。该结构可实现点阵材料表面耐冲击而点阵材料内部具有较强的变形吸能功能。
实施例4：如图6所示，胞元的曲杆为钢构件，胞元经z向延拓后通过胞元外节点（4）与平面钢网架（6）、混凝土板（7）相连，并在混凝土板（7）间填充泡沫材料（8），图中的胞元延拓曲杆（1′）、（2′）仅为示意，胞元可沿x, y, z方向进行延拓，点阵材料胞元的个数N可按要求确定。所述的胞元中每组曲杆的曲率在某一方向上按一定的梯度进行变化，而沿x, y, z方向上的每个胞元中每组曲杆的曲率也按一定的梯度进行变化，从而实现不同方向的刚度（变形特性）进行梯度变化。该结构可实现点阵材料表面耐冲击而点阵材料内部具有较强的变形吸能、保温隔热等功能。
实施例5：如图7所示，点阵材料单个胞元为z向投影具有正三角形结构，胞元的曲杆为钢构件，胞元经z向延拓后通过胞元外节点（4）与钢板（5）相连。图中的胞元延拓曲杆（1′）、（2′）仅为示意，胞元可沿x, y, z方向进行延拓，点阵材料胞元的个数N可按要求确定。所述的胞元中每组曲杆的曲率在某一方向上按一定的梯度进行变化，而沿x, y, z方向上的每个胞元中每组曲杆的曲率也按一定的梯度进行变化，从而实现不同方向的刚度（变形特性）进行梯度变化。
以上所述仅作为本发明的优选实施方式，对于在不脱离本发明原理的前提下，做出的任何同等替代、修改和润饰，均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于曲杆胞元的空间点阵材料，包括N个胞元，每个胞元为两组曲杆（1）、（2）通过胞元内节点（3）连接而成，而每个胞元间通过胞元间节点（4）进行连接，胞元在x, y, z方向进行延拓后成为三维空间点阵材料，所述的胞元中每组曲杆的曲率是不同的，而沿x, y,z方向上的相邻的每个胞元中每组曲杆的曲率也不同，从而实现不同方向的刚度按要求的梯度进行变化。
2.根据权利要求1所述的空间点阵材料，其特征在于：所述的胞元的两组曲杆（1）、（2）由金属和非金属构成。
3.根据权利要求2所述的空间点阵材料，其特征在于：所述的胞元的两组曲杆（1）、（2）截面形状为圆形、多边形、空心管状。
4.根据权利要求3所述的空间点阵材料，其特征在于：所述的胞元的两组曲杆（1）、（2）的线型为折线、圆弧、正弦曲线及其他曲线。
5.根据权利要求1所述的空间点阵材料，其特征在于：所述的沿x, y, z方向上的每个胞元的胞元内节点（3）和胞元间节点（4）的相对距离可发生变化。
6.根据权利要求1所述的空间点阵材料，其特征在于：所述的每个胞元的z向投影为正三角形、正四边形或正六边形。
7.根据权利要求1所述的空间点阵材料，其特征在于：所述的空间点阵材料最外层与钢板（5）、平面钢网架（6）、混凝土板（7）相连接。
8.根据权利要求5所述的空间点阵材料，其特征在于：所述的空间点阵材料最外层与钢板（5）、平面钢网架（6）、混凝土板（7）相连接后，在其间填充泡沫混凝土、泡沫铝或泡沫塑料。
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