CN109578796B - 带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构，用于解决现有梯度点阵结构力学性能差的技术问题。技术方案是包括N层六边形双曲面点阵结构和N‑1层过渡层。其中，每层六边形双曲面点阵结构均由六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内延拓形成；每一过渡层a分别连接六边形双曲面点阵层b和六边形双曲面点阵层c，六边形双曲面点阵层b的单胞尺寸为2L，六边形双曲面点阵层c的单胞尺寸为L，过渡层a的高度为H。本发明通过在两层不同单胞尺寸的点阵结构之间设置过渡层，可以同时改变点阵单胞杆件的截面尺寸和点阵单胞尺寸，使得结构在设计时可以同时考虑点阵单胞尺寸以及杆件截面尺寸对结构整体性能的影响，达到提高力学性能的目的。

Description

带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构

技术领域

本发明涉及一种梯度点阵结构，特别是涉及一种带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构。

背景技术

点阵结构具有轻质、比刚度高、比强度高、吸声隔热等优良特性，被越来越多地应用在在汽车、船舶、航空航天等领域。梯度点阵结构通过对点阵单胞构型的设计使得结构整体具有更加优良的性能。根据现有技术的梯度点阵结构，例如CN107498948A描述的梯度点阵结构，其通过更改各层点阵中单胞杆件的粗细来控制其相对密度，提高了结构的抗冲击性能，达到了点阵结构的宏观物性参数随空间位置呈梯度变化的目的。然而，由于尺寸效应的存在，同等载荷情况下，不同单胞尺寸的点阵结构所表现出来的力学行为并不相同；因此，需要在改变点阵单胞杆件截面尺寸的同时，考虑点阵单胞尺寸对结构整体性能的影响，即对于同一种点阵单胞构型，应根据实际承载情况选择不同单胞尺寸、不同杆件截面尺寸的点阵结构。

发明内容

为了克服现有梯度点阵结构力学性能差的不足，本发明提供一种带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构。该梯度点阵结构包括N层六边形双曲面点阵结构和N-1层过渡层。其中，每层六边形双曲面点阵结构均由六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内延拓形成；每一过渡层a分别连接六边形双曲面点阵层b和六边形双曲面点阵层c，六边形双曲面点阵层b的单胞尺寸为2L，六边形双曲面点阵层c的单胞尺寸为L，过渡层a的单胞高度为H。本发明通过在两层不同单胞尺寸的点阵结构之间设置过渡层，可以同时改变点阵单胞杆件的截面尺寸和点阵单胞尺寸，使得结构在设计时可以同时考虑点阵单胞尺寸以及杆件截面尺寸对结构整体性能的影响，达到提高力学性能的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构，其特点是包括N层六边形双曲面点阵结构和N-1层过渡层。其中，每层六边形双曲面点阵结构均由六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内延拓形成；每一过渡层a单胞分别连接一个边长为2L的双曲面点阵层b单胞和四个边长为L的双曲面点阵层c单胞；过渡层a的单胞高度为H。

所述过渡层a的结点1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12位于同一高度平面，结点13、14、15、16、17、18、19位于同一高度平面；其中，结点1、2、3、4、5、6为一边长为2L的正六边形的六个顶点，结点7、8、9、10、11、12为一边长为L的正六边形的六个顶点，结点13、14、15、16、17、18为一边长为

的正六边形的六个顶点；结点1与结点19连接组成的杆、结点2与结点19连接组成的杆、结点3与结点19连接组成的杆、结点4与结点19连接组成的杆、结点5与结点19连接组成的杆、结点6与结点19连接组成的杆、结点7与结点14连接组成的杆、结点7与结点17连接组成的杆、结点8与结点18连接组成的杆、结点8与结点15连接组成的杆、结点9与结点13连接组成的杆、结点9与结点16连接组成的杆、结点10与结点14连接组成的杆、结点10与结点17连接组成的杆、结点11与结点18连接组成的杆、结点11与结点15连接组成的杆、结点12与结点13连接组成的杆、结点12与结点16连接组成的杆、结点13与结点19连接组成的杆、结点14与结点19连接组成的杆、结点15与结点19连接组成的杆、结点16与结点19连接组成的杆、结点17与结点19连接组成的杆、结点18与结点19连接组成的杆共同组成了一个过渡层单胞。

所述过渡层a的结点41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58位于同一高度平面，结点29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40位于同一高度平面，结点29和结点30连接组成的杆、结点29和结点40连接组成的杆、结点31和结点30连接组成的杆、结点31和结点32连接组成的杆、结点33和结点32连接组成的杆、结点33和结点34连接组成的杆、结点35和结点34连接组成的杆、结点35和结点36连接组成的杆、结点37和结点36连接组成的杆、结点37和结点38连接组成的杆、结点39和结点38连接组成的杆、结点39和结点40连接组成的杆、结点29和结点41连接组成的杆、结点30和结点47连接组成的杆、结点30和结点50连接组成的杆、结点30和结点45连接组成的杆、结点30和结点44连接组成的杆、结点31和结点42连接组成的杆、结点32和结点49连接组成的杆、结点32和结点46连接组成的杆、结点32和结点45连接组成的杆、结点32和结点52连接组成的杆、结点33和结点43连接组成的杆、结点34和结点54连接组成的杆、结点34和结点51连接组成的杆、结点34和结点41连接组成的杆、结点34和结点46连接组成的杆、结点35和结点44连接组成的杆、结点36和结点53连接组成的杆、结点36和结点56连接组成的杆、结点36和结点41连接组成的杆、结点36和结点42连接组成的杆、结点37和结点45连接组成的杆、结点38和结点58连接组成的杆、结点38和结点55连接组成的杆、结点38和结点42连接组成的杆、结点38和结点43连接组成的杆、结点39和结点46连接组成的杆、结点40和结点48连接组成的杆、结点40和结点57连接组成的杆、结点40和结点43连接组成的杆、结点40和结点44连接组成的杆共同组成了一个过渡层单胞；结点29、30、40为一个边长为

的正三角形的三个顶点，结点47、48、51为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点31、30、32为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点49、50、42为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点32、33、34为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点51、52、43为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点34、35、36为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点44、53、54为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点36、37、38为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点45、55、56为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点38、39、40为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点46、57、58为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点30、32、34、36、38、40为一边长为

的正六边形的六个顶点，结点41、42、43、44、45、46为一边长为L的正六边形的六个顶点。

本发明的有益效果是：该梯度点阵结构包括N层六边形双曲面点阵结构和N-1层过渡层。其中，每层六边形双曲面点阵结构均由六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内延拓形成；每一过渡层a分别连接六边形双曲面点阵层b和六边形双曲面点阵层c，六边形双曲面点阵层b的单胞尺寸为2L，六边形双曲面点阵层c的单胞尺寸为L，过渡层a的单胞高度为H。本发明通过在两层不同单胞尺寸的点阵结构之间设置过渡层，可以同时改变点阵单胞杆件的截面尺寸和点阵单胞尺寸，使得结构在设计时可以同时考虑点阵单胞尺寸以及杆件截面尺寸对结构整体性能的影响，达到提高力学性能的目的。具体的，

本发明提实现了点阵单胞杆截面尺寸以及点阵单胞尺寸同时变化，结构具有更加灵活的设计性。

本发明使得点阵结构具备了梯度功能，结构在宏观上的物性参数随空间位置呈梯度变化。

本发明实现了结构的轻量化设计，具有优异的力学性能。

本发明通过在两层六边形双曲面点阵之间设置过渡层实现了变单胞尺寸的目的；其中，过渡层结构简单，传力路径清晰，便于制造。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,6)的方式延拓时，过渡层a的单胞连接方式示意图；

图2是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,6)的方式延拓时，过渡层a的单胞中各杆结点在xoy平面投影的示意图；

图3是过渡层a的一个单胞分别连接1个尺寸为

的六边形双曲面点阵单胞和7个尺寸为L的六边形双曲面点阵单胞的示意图；

图4是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,6)的方式延拓时，互相连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓的示意图；

图5是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,6)的方式延拓时，互相连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓的俯视图；

图6是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,3,3)的方式延拓时，过渡层a的单胞连接方式示意图；

图7是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,3,3)的方式延拓时，过渡层a的单胞俯视图；

图8是过渡层a的一个单胞分别连接1个尺寸

的六边形双曲面点阵单胞和7个尺寸为L的六边形双曲面点阵单胞的示意图；

图9是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,3,3)的方式延拓时，互相连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓的示意图；

图10是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,3,3)的方式延拓时，互相连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓的俯视图；

图11是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6，6，6)的方式延拓时，多层带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构整体示意图；

图12是六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,3,3)的方式延拓时，多层带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构整体示意图。

具体实施方式

以下实施例参照图1～12。

图1为六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,6)的方式延拓时，过渡层a的单胞连接方式示意图；参照图1，结点1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12位于同一高度平面，结点13、14、15、16、17、18、19位于同一高度平面；其中，结点1、2、3、4、5、6为一边长为2L的正六边形的六个顶点，结点7、8、9、10、11、12为一边长为L的正六边形的六个顶点，结点13、14、15、16、17、18为一边长为

的正六边形的六个顶点；结点1与结点19连接组成的杆、结点2与结点19连接组成的杆、结点3与结点19连接组成的杆、结点4与结点19连接组成的杆、结点5与结点19连接组成的杆、结点6与结点19连接组成的杆、结点7与结点14连接组成的杆、结点7与结点17连接组成的杆、结点8与结点18连接组成的杆、结点8与结点15连接组成的杆、结点9与结点13连接组成的杆、结点9与结点16连接组成的杆、结点10与结点14连接组成的杆、结点10与结点17连接组成的杆、结点11与结点18连接组成的杆、结点11与结点15连接组成的杆、结点12与结点13连接组成的杆、结点12与结点16连接组成的杆、结点13与结点19连接组成的杆、结点14与结点19连接组成的杆、结点15与结点19连接组成的杆、结点16与结点19连接组成的杆、结点17与结点19连接组成的杆、结点18与结点19连接组成的杆共同组成了一个过渡层单胞。

图2为六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,6)的方式延拓时，过渡层a的单胞中各杆结点在xoy平面投影的示意图。

图3为过渡层a的一个单胞分别连接1个尺寸为

的六边形双曲面点阵单胞和7个尺寸为L的六边形双曲面点阵单胞的示意图，参照图3，其中，过渡层单胞的高度为H，H的值可以根据需求进行调整。

图4为六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,6)的方式延拓时，互相连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓的示意图；参照图4，在延拓时，结点20与结点28重合，结点21与结点27重合，结点21与结点24重合，结点22与结点23重合，结点25与结点26重合，从而使得相互连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓。

图5为六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,6)的方式延拓时，互相连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓的俯视图。

图6为六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,3,3)的方式延拓时，过渡层a的单胞连接方式示意图，参照图6，结点41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58位于同一高度平面，结点29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40位于同一高度平面，结点29和结点30连接组成的杆、结点29和结点40连接组成的杆、结点31和结点30连接组成的杆、结点31和结点32连接组成的杆、结点33和结点32连接组成的杆、结点33和结点34连接组成的杆、结点35和结点34连接组成的杆、结点35和结点36连接组成的杆、结点37和结点36连接组成的杆、结点37和结点38连接组成的杆、结点39和结点38连接组成的杆、结点39和结点40连接组成的杆、结点29和结点41连接组成的杆、结点30和结点47连接组成的杆、结点30和结点50连接组成的杆、结点30和结点45连接组成的杆、结点30和结点44连接组成的杆、结点31和结点42连接组成的杆、结点32和结点49连接组成的杆、结点32和结点46连接组成的杆、结点32和结点45连接组成的杆、结点32和结点52连接组成的杆、结点33和结点43连接组成的杆、结点34和结点54连接组成的杆、结点34和结点51连接组成的杆、结点34和结点41连接组成的杆、结点34和结点46连接组成的杆、结点35和结点44连接组成的杆、结点36和结点53连接组成的杆、结点36和结点56连接组成的杆、结点36和结点41连接组成的杆、结点36和结点42连接组成的杆、结点37和结点45连接组成的杆、结点38和结点58连接组成的杆、结点38和结点55连接组成的杆、结点38和结点42连接组成的杆、结点38和结点43连接组成的杆、结点39和结点46连接组成的杆、结点40和结点48连接组成的杆、结点40和结点57连接组成的杆、结点40和结点43连接组成的杆、结点40和结点44连接组成的杆共同组成了一个过渡层单胞；

图7为过渡层a的单胞俯视图，参照图7，结点29、30、40为一个边长为

的正三角形的三个顶点，结点47、48、51为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点31、30、32为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点49、50、42为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点32、33、34为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点51、52、43为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点34、35、36为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点44、53、54为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点36、37、38为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点45、55、56为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点38、39、40为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点46、57、58为一边长为

的正三角形的三个顶点，结点30、32、34、36、38、40为一边长为

的正六边形的六个顶点，结点41、42、43、44、45、46为一边长为L的正六边形的六个顶点；

图8为过渡层a的一个单胞分别连接1个尺寸

的六边形双曲面点阵单胞和7个尺寸为L的六边形双曲面点阵单胞的示意图，参照图8，其中，过渡层单胞的高度为H，H的值可以根据需求进行调整。

图9为六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,3,3)的方式延拓时，互相连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓的示意图；参照图9，延拓时，结点60与结点61重合，结点62与结点63重合，结点64与结点59重合，从而使得相互连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓。

图10为六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,3,3)的方式延拓时，互相连接后的六边形双曲面点阵层b、六边形双曲面点阵层c以及过渡层a整体在空间延拓的俯视图。

图11为六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内以平面镶嵌中(6,6,6)的方式延拓时，多层带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构整体示意图；图12为六边形双曲面点阵单胞以平面镶嵌中(6,6,3,3)的方式延拓时，多层带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构整体示意图；需要指出的是，本发明中梯度点阵的层数并不限于图11、图12中的层数，根据图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10中过渡层a与六边形双曲面点阵层c和六边形双曲面点阵层b的连接方式，所述带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构可以延拓至任意多层。

Claims (1)

1.一种带过渡层的变单胞尺寸梯度点阵结构，其特征在于：包括N层六边形双曲面点阵结构和N-1层过渡层；其中，每层六边形双曲面点阵结构均由六边形双曲面点阵单胞在xoy平面内延拓形成；每一过渡层a单胞分别连接一个边长为2L的双曲面点阵层b单胞和四个边长为L的双曲面点阵层c单胞；过渡层a的单胞高度为H；

所述过渡层a的结点1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12位于同一高度平面，结点13、14、15、16、17、18、19位于同一高度平面；其中，结点1、2、3、4、5、6为一边长为2L的正六边形的六个顶点，结点7、8、9、10、11、12为一边长为L的正六边形的六个顶点，结点13、14、15、16、17、18为一边长为

L的正六边形的六个顶点；结点1与结点19连接组成的杆、结点2与结点19连接组成的杆、结点3与结点19连接组成的杆、结点4与结点19连接组成的杆、结点5与结点19连接组成的杆、结点6与结点19连接组成的杆、结点7与结点14连接组成的杆、结点7与结点17连接组成的杆、结点8与结点18连接组成的杆、结点8与结点15连接组成的杆、结点9与结点13连接组成的杆、结点9与结点16连接组成的杆、结点10与结点14连接组成的杆、结点10与结点17连接组成的杆、结点11与结点18连接组成的杆、结点11与结点15连接组成的杆、结点12与结点13连接组成的杆、结点12与结点16连接组成的杆、结点13与结点19连接组成的杆、结点14与结点19连接组成的杆、结点15与结点19连接组成的杆、结点16与结点19连接组成的杆、结点17与结点19连接组成的杆、结点18与结点19连接组成的杆共同组成了一个过渡层单胞；

所述过渡层a的结点41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58位于同一高度平面，结点29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40位于同一高度平面，结点29和结点30连接组成的杆、结点29和结点40连接组成的杆、结点31和结点30连接组成的杆、结点31和结点32连接组成的杆、结点33和结点32连接组成的杆、结点33和结点34连接组成的杆、结点35和结点34连接组成的杆、结点35和结点36连接组成的杆、结点37和结点36连接组成的杆、结点37和结点38连接组成的杆、结点39和结点38连接组成的杆、结点39和结点40连接组成的杆、结点29和结点41连接组成的杆、结点30和结点47连接组成的杆、结点30和结点50连接组成的杆、结点30和结点45连接组成的杆、结点30和结点44连接组成的杆、结点31和结点42连接组成的杆、结点32和结点49连接组成的杆、结点32和结点46连接组成的杆、结点32和结点45连接组成的杆、结点32和结点52连接组成的杆、结点33和结点43连接组成的杆、结点34和结点54连接组成的杆、结点34和结点51连接组成的杆、结点34和结点41连接组成的杆、结点34和结点46连接组成的杆、结点35和结点44连接组成的杆、结点36和结点53连接组成的杆、结点36和结点56连接组成的杆、结点36和结点41连接组成的杆、结点36和结点42连接组成的杆、结点37和结点45连接组成的杆、结点38和结点58连接组成的杆、结点38和结点55连接组成的杆、结点38和结点42连接组成的杆、结点38和结点43连接组成的杆、结点39和结点46连接组成的杆、结点40和结点48连接组成的杆、结点40和结点57连接组成的杆、结点40和结点43连接组成的杆、结点40和结点44连接组成的杆共同组成了一个过渡层单胞；结点29、30、40为一个边长为

L的正三角形的三个顶点，结点47、48、51为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点31、30、32为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点49、50、42为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点32、33、34为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点51、52、43为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点34、35、36为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点44、53、54为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点36、37、38为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点45、55、56为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点38、39、40为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点46、57、58为一边长为

L的正三角形的三个顶点，结点30、32、34、36、38、40为一边长为

L的正六边形的六个顶点，结点41、42、43、44、45、46为一边长为L的正六边形的六个顶点。

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