CN109084169A - 一种点阵结构及点阵零件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料结构技术领域，尤其涉及一种点阵结构。该点阵结构包括多个点阵胞元，多个所述点阵胞元之间阵列排布，每个所述点阵胞元包括多个变径连杆，所述变径连杆之间通过节点连接，所述变径连杆两端的直径大于两端之间部分的直径，且所述变径连杆的直径呈平滑过渡变化。能够使点阵结构各处受力分布更均匀，减少节点的应力集中，比强度和比刚度更大。本发明还涉及包括上述点阵结构的点阵零件，提高了零件的可靠性。

Description

一种点阵结构及点阵零件

技术领域

本发明涉及材料结构技术领域，尤其涉及一种点阵结构及点阵零件。

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。

点阵零件具有高孔隙率，可以通过对点阵零件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。

点阵结构是指单胞周期性排列、单胞是由节点和连杆所构成的结构。现有点阵结构在受力时，点阵的连杆会出现受力不均的情况，例如在弯曲力作用下，连杆端部(节点处)的应力集中现象比较明显，节点处往往首先达到屈服，结构的破坏也常在节点附近出现，不仅造成了材料的浪费，而且也并未充分发挥结构的高比刚度、高比强度的特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种点阵结构及包含有该点阵结构的点阵零件，以解决上述中任一技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种点阵结构，包括多个点阵胞元，多个所述点阵胞元之间阵列排布，每个所述点阵胞元包括多个变径连杆，所述变径连杆之间通过节点连接，所述变径连杆两端的直径大于两端之间部分的直径，且所述变径连杆的直径呈平滑过渡变化。

优选地，所述变径连杆的两端的直径最大，两端之间的中部位置的直径最小。

优选地，所述变径连杆的直径由端部至中点处方向逐渐缩小。

优选地，所述变径连杆的直径的变化基于样条曲线。

优选地，所述变径连杆的横截面为圆形或正六边形。

优选地，所述点阵胞元为菱形十二面体、面心立方或体心立方。

优选地，所述变径连杆的相对位置由立方体的体心和立方体的顶点确定。

优选地，所述变径连杆的一端位于所述立方体的顶点，另一端与位于所述立方体的体心连接。

优选地，多个点阵胞元之间呈空间笛卡尔直角坐标系阵列排布。

本发明还提供了一种点阵零件，包括上述任一点阵结构。

本发明的上述技术方案具有如下优点：

1、本发明提供的点阵结构，每个所述点阵胞元包括多个变径连杆，所述变径连杆之间通过节点连接，所述变径连杆两端的直径大于两端之间部分的直径，且所述变径连杆的直径呈平滑过渡变化，使点阵结构受力分布更均匀，减少节点的应力集中，比强度和比刚度更大。

2、本发明提供的具有点阵结构的零件，能够使点阵结构受力分布更均匀，减少节点的应力集中，比强度和比刚度更大，提高了零件的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例一的一种变径连杆截面为圆形的菱形十二面体点阵胞元示意图；

图2是本发明实施例一的一种变径连杆截面为正六边形的菱形十二面体点阵胞元示意图；

图3是本发明实施例一的一种由面心立方胞元组成的点阵结构示意图；

图4是本发明实施例一的一种由体心立方胞元组成的点阵结构示意图；

图5是本发明实施例一的一种由菱形十二面体胞元组成的点阵结构示意图；

图6是本发明实施例一的一种变径连杆的结构示意图；

图7是本发明实施例一的一种变径连杆的相对位置关系示意图；

图8是相同质量下本发明实施例一的点阵结构与现有点阵结构的名义应力-名义应变曲线对比图；

图9是本发明实施例二的一种点阵零件的结构示意图；

图10是本发明实施例二的另一种点阵零件的结构示意图。

图中：1：点阵结构；11：点阵胞元；111：节点；112：变径连杆。

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的一部分实施例，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的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。

实施例一

参见图1至图5所示，本发明实施例提供的点阵结构1包括多个点阵胞元11，多个点阵胞元11之间呈阵列排布，此处所述的阵列是指多个点阵胞元11之间按照一定规律排布，例如，通过对行数，列数，中心点的设定来将这个物体根据需要进行摆放和排布。例如，在一些实施方式中，将一个点阵胞元11作为坐标系原点，其它点阵胞元11是沿坐标系的X、Y、Z方向排布形成点阵结构。在另外一些实施方式中，可以按照一个或两个方向排布形成点阵结构。

其中，每个点阵胞元11包括多个变径连杆112，变径边杆112之间通过节点111连接，即根据需要，一定数量的变径边杆112在空间上呈一定角度设置，使这些变径连杆112的一端呈一定角度连接，该连接处即为节点111，根据点阵胞元11的构型，节点111的数量、每个节点处连接的变径连杆112的数量以及变径连杆112的角度都可以调整。另外，根据变径连杆112的位置，其可以是只有一端与节点111连接，另一端直接与包含该点阵结构的零件或材料的相应部分连接，或者与相邻的点阵胞元11的某一节点111连接，在此不作限定。

以菱形十二面体为例，其抽象的包含十二个相同的菱形，二十四条边和十四个顶点(点阵构型空间位置参数及其约束关系是确定的，这里不详细阐述实现过程)。

如图6所示，本实施例的点阵结构1与现有技术的最大的区别在于：点阵胞元11的连杆为变径连杆112，该变径连杆112两端的直径大于两端之间部分的直径，即变径连杆112两端的直径最大，两端之间这一部分的直径小于两端部的直径，并且变径连杆112的直径呈平滑过渡变化。使用本实施例的变径连杆，能够使点阵结构受力分布更均匀，减少节点的应力集中，比强度和比刚度更大。

将相同构型且质量相同(相对密度相同)的本实施例的点阵结构(变径连杆)与现有的点阵结构(等径连杆)分别进行强度测试，具体地，选用两组点阵结构进行测试，每一组有两个点阵结构，且两个点阵结构是相同构型且质量相同，其中一个点阵结构的连杆为本申请所述的变径连杆结构，另一个点阵结构的连杆为现有技术中的等径连杆，对同一组的两个点阵结构进行实验并进行结果对比。其中，第一组中本申请的点阵结构的变径连杆112的最大直径(两端)为0.96mm最小直径(中点处)为0.62mm，与之相所对应的现有的点阵结构的等径连杆直径为0.8mm；第二组中本申请的点阵结构的变径连杆112的最大直径(两端)为1.22mm，最小直径(中点处)为0.76mm，与之相对应的现有的点阵结构的等径连杆的直径为1mm，对两组的四个点阵结构分别进行实验，经过实验后得到的名义应力-名义应变曲线如图8所示，图中：现有点阵结构一的名义应力-名义应变曲线对应的是上述第一组现有点阵结构的实验结果；本申请点阵结构一的名义应力-名义应变曲线对应的是上述第一组本申请点阵结构的实验结果；现有点阵结构二的名义应力-名义应变曲线对应的是上述第二组现有点阵结构的实验结果；本申请点阵结构二的名义应力-名义应变曲线对应的是上述第二组本申请点阵结构的实验结果。由此实验结果可以看出，在同等情况下，本实施例的点阵结构强度大幅提升，并且从零件的损坏程度来看本发明的点阵结构受力分布更均匀，基本克服了点阵胞元11的节点处因应力过于集中而先被破坏的问题，能够充分发挥点阵结构1的承载能力。

如图6所示，在上述方案的基础上，在一些优选地实施方案中，变径连杆112的两端的直径最大，两端之间的中部的部位直径最小。

优选地，变径连杆112的直径变化是基于样条曲线，即变径连杆112为基于样条曲线的变径连杆。

更优选地，变径连杆112的直径变化是由端部向中间平滑的逐渐变小，形成两个端部的直径最大，中点处的直径最小的结构，即任一端部至中点处之间的任一处的直径均大于中点处的直径，小于端部的直径。

在其它一些实施方式中，变径连杆112的两端部的直径可以不同，但两端部的直径都要大于两端之间部分中点处的直径。

变径连杆112的横截面可以为圆形(参见图1)、椭圆形、三角形、四边形、正六边形(参加图2)以及其他多边形等形状。优选地，横截面选用圆形或正六边形。

点阵胞元11可以为现有任意构型，优选地，采用中心对称的构型，例如，如图1和图2所示的菱形十二面体、如图3所示的面心立方(Face-centred cubic，简称为FCC)、如图4所示的体心立方(Body-centred cubic，简称为BCC)，以及面心立方和体心立方所衍生出来的包含竖直杆的面心立方(FCCZ)、包含竖直杆的体心立方(BCCZ)等。

在一些实施方式中，确定变径连杆112的位置，可以假设一个立方体，所述变径连杆的相对位置由立方体的体心和立方体顶点确定，例如，如图7所示，变径连杆112的相对位置由立方体的体心和顶点确定，即在立方体内确定节点111的位置和变径连杆另一端的位置，即可确定一个节点111及与其连接的变径连杆的位置。

上述菱形十二面体点阵胞元，其变径连杆位置的确定可参考图7所示的方式，变径连杆112的一端位于立方体的顶点，另一端与位于立方体的体心的节点111连接。

在另外一些实施方式中，根据需要，在一些不同构型的点阵胞元中，变径连杆112的端点也可以在所述立方体的空间区域内的其他位置，如连线的中心、四分之一处等位置。

上述菱形十二面体、面心立方和体心立方结构的点阵胞元中，多个点阵胞元112之间呈空间笛卡尔直角坐标系阵列排布，有相邻胞元之间相连接。

需要说明的是，点阵结构中相邻的点阵胞元之间是相连接的，即相邻的点阵胞元具有共用的一个或几个节点，另外关于点阵胞元的阵列排布方式是现有技术，在此仅做了示例说明，不再详细赘述。

还需要说明的是，本发明中所述的变径连杆是指连杆截面直径在连杆的轴向方向发生变化的连杆，并且变径连杆两端的直径要大于两端之间的这一部分的直径。

实施例二

实施例一中的点阵结构可以应用在很多的零部件或者材料结构中，例如，3D打印叉架类零件、3D打印点阵球面、点阵夹层材料等。

如图9示出了一种包含实施例一点阵结构的叉架类零件，该叉架类零件的叉架部分使用点阵结构代替常规的结构，减轻了叉架的重量，同时能够减少点阵结构节点的应力集中，比强度和比刚度更大，提高了零件的可靠性。

如图10示出了一种具有实施例一点阵结构的球面零件，该球面零件整体为点阵结构代替常规的结构，使该零件能够受力分布更均匀，减少节点的应力集中，比强度和比刚度更大，提高零件的可靠性。

优选地，本实施例中点阵结构的点阵胞元为菱形十二面体。

另外，包含点阵结构的点阵零件都可以通过3D打印技术制成，主要工艺和流程如下：

1)将包含点阵结构的零件的三维模型导入商用剖分软件离散成层，并将离散后的打印程序导入3D打印设备。

2)3D打印设备进行加工，一层加工完后，托盘下降一层的高度，实体层层叠加，直至该零件完全堆积成形。

作为示例，图9所示的叉架类零件采用金属加工，叉架部分用点阵结构代替。具体地，利用三维建模软件(例如Rhino(犀牛))，将点阵胞元在三维空间矩形阵列形成点阵结构，点阵胞元采用菱形十二面体构型，做出三维模型后，对该叉架类零件进行离散成层，并将离散后的打印程序导入金属3D打印设备。打印设备不断重复铺粉和激光熔化，实体层层叠加，直至叉架类零件完全堆积成形。

综上所述，本发明的点阵结构的点阵胞元的连杆采用变径连杆，点阵结构强度大幅提升，使点阵结构各处受力分布更均匀，基本克服了点阵胞元的节点处因应力过于集中而先被破坏的问题，能够充分发挥点阵结构的承载能力。

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：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，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，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)

1.一种点阵结构，包括多个点阵胞元，多个所述点阵胞元之间阵列排布，其特征在于：每个所述点阵胞元包括多个变径连杆，所述变径连杆之间通过节点连接，所述变径连杆两端的直径大于两端之间部分的直径，且所述变径连杆的直径呈平滑过渡变化。

2.根据权利要求1所述的点阵结构，其特征在于：所述变径连杆两端部的直径最大，中点处的直径最小。

3.根据权利要求2所述的点阵结构，其特征在于：所述变径连杆的直径由端部至中点处方向逐渐缩小。

4.根据权利要求1所述的点阵结构，其特征在于：所述变径连杆的直径的变化基于样条曲线。

5.根据权利要求1所述的点阵结构，其特征在于：所述变径连杆的横截面为圆形或正六边形。

6.根据权利要求1所述的点阵结构，其特征在于：所述点阵胞元为菱形十二面体、面心立方或体心立方。

7.根据权利要求6所述的点阵结构，其特征在于：所述变径连杆的相对位置由立方体的体心和立方体顶点确定。

8.根据权利要求7所述的点阵结构，其特征在于：所述变径连杆的一端位于所述立方体的顶点，另一端与位于所述立方体的体心的节点连接。

9.根据权利要求1所述的点阵结构，其特征在于：多个点阵胞元之间呈空间笛卡尔直角坐标系阵列排布。

10.一种点阵零件，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的点阵结构。