CN109869430B - 面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及航天领域，具体而言，涉及一种面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法。本申请实施例提供了一种梯度点阵结构，包括：多级沿预设方向依次连接的层状点阵，每一级层状点阵均包括至少一个点阵胞元；每一个点阵胞元均包括多个杆件，其中多个基本杆件相交于一点，且点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性。沿预设方向，每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型梯度增加。通过将每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型梯度增加，从而逐级增加了层状点阵的强度和刚度，实现了整个梯度点阵结构的性能梯度变化。

Description

面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法

技术领域

本申请涉及航天领域，具体而言，涉及一种面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法。

背景技术

点阵结构具有良好的缓冲吸能特性，可用作航天器的着陆缓冲吸能结构，而梯度点阵结构由于具有吸能密度高、反冲力小和易于增材制造一体化成形的优点，被认为是最具潜力的下一代航天器缓冲吸能结构形式之一。

现有的缓冲吸能梯度点阵结构，一般通过两种途径实现性能梯度设计：

一种途径是调控点阵胞元的杆件直径，即保持每个点阵胞元的外形尺寸不变，仅改变每个胞元的杆件直径，从而实现点阵结构性能的梯度设计；

另一种途径是调控点阵胞元的外包络尺寸，即改变每个点阵胞元的外包络尺寸，实现大包络点阵胞元与小包络点阵胞元之间的过渡，实现点阵结构性能的梯度设计。

然而，目前，受增材制造力学性能稳定成形结构最小特征尺寸的限制，采用同一台设备制造点阵结构，能够实现的点阵胞元杆件直径和点阵胞元的外包络尺寸只能局限在较窄的尺寸范围，导致对于给定宏观尺寸的工程结构中过细的杆件或过小的点阵胞元在设计上可行，但无法制造实现。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法，可以根据制造技术或制造设备能够稳定成形的结构尺寸范围，进行点阵胞元杆件直径和点阵胞元外包络尺寸设计，通过相同外包络尺寸点阵胞元的构型设计，实现点阵结构的性能梯度变化。

第一方面，本申请实施例提供了一种梯度点阵结构，包括：

多级沿预设方向依次连接的层状点阵，每一级层状点阵均包括至少一个点阵胞元；每一个点阵胞元均包括多个杆件，其中多个基本杆件相交于一点，且点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性；

沿预设方向，每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型梯度增加。

通过将每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型梯度增加，从而逐级增加了层状点阵的强度和刚度，实现了整个梯度点阵结构的性能梯度变化。相对于现有技术中需要通过逐级增加每一个点阵胞元的杆件的直径的或者逐级增加每一个点阵胞元的外包络尺寸，本申请提供的这种梯度点阵结构，无需改变点阵胞元的外包络尺寸或点阵胞元的杆件直径大小，就能够实现点阵结构的性能梯度变化。

由于是通过梯度增加每一级点阵胞元的构型，因此每一级的点阵胞元中的杆件的直径大小均相等，每一级点阵胞元的外包络尺寸均相等。这样，当制造该梯度点阵结构时，可以根据制造技术或制造设备能够稳定成形的结构尺寸范围，选择点阵胞元杆件直径和点阵胞元外包络尺寸设计，通过相同外包络尺寸点阵胞元的构型设计，实现点阵结构的性能梯度变化。极大地降低了制造难度，使得制得的梯度点阵结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。

本申请实施例提供的这种梯度点阵结构，能够用于航天器缓冲吸能结构，且具有良好的缓冲吸能性能。

进一步可选地，在该梯度点阵结构的外部包裹蒙皮，能够进一步地提高结构缓冲吸能性能。

在本申请的一些具体实施例中，每一级层状点阵均包括至少一层，每相邻的两层层状点阵沿预设方向依次连接。

通过将每一级的层状点阵设置为包括至少一层，从而能够根据实际的需要设计整个梯度点阵结构的高度，进而使得该梯度点阵结构能够适用于不同的使用环境，应用广泛。

在本申请的一些具体实施例中，多级层状点阵一体成型。

通过将多级的层状点阵一体成型，使得整个梯度点阵结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。

进一步可选地，多级层状点阵通过激光选区熔化成形工艺一体成型。

该工艺制得的梯度点阵结构，结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。

在本申请的一些具体实施例中，每一个基本型点阵胞元包括六根杆件；或者每一个基本型点阵胞元包括八根杆件；或者每一个基本型点阵胞元包括十二根杆件。

当每一个基本型点阵胞元包括六根杆件时，六根杆件相交于一点，能够实现三重对称性。三重对称的胞元结构，能够满足后续逐级梯度递增点阵胞元的构型时，保持每一级的点阵胞元的具有相同外包络尺寸。

当每一个点阵胞元包括八根杆件时，八根杆件相交于一点，能够实现四重对称性。四重对称的胞元结构，能够满足后续逐级梯度递增点阵胞元的构型时，保持每一级的点阵胞元的具有相同外包络尺寸。

当每一个点阵胞元包括十二根杆件时，十二根杆件相交于一点，能够实现六重对称性。六重对称的胞元结构，能够满足后续逐级梯度递增点阵胞元的构型时，保持每一级的点阵胞元的具有相同外包络尺寸。

在本申请的一些具体实施例中，沿预设方向每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的杆件数量相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的杆件数量呈梯度增加。

通过在每一级的层状点阵中增加杆件的数量，能够改变点阵胞元的构型，且不会改变点阵胞元构型的外包络尺寸。通过梯度增加每一级的层状点阵中的每一个点阵胞元的杆件数量，使得每一级中的点阵胞元的构型梯度改变，从而实现整个梯度点阵结构的刚度和强度的梯度增加。

在本申请的一些具体实施例中，沿预设方向从第二级起，每一级中的每一个点阵胞元中呈上下相对设置的两个杆件的自由端之间连接有第一增杆，且每一个第一增杆均沿预设方向设置。

通过在每一个点阵胞元中呈上下相对设置的两个杆件的自由端之间连接有第一增杆，并保证第一增杆沿预设方向设置，从而能够实现对点阵胞元构型的改变，且不会改变点阵胞元构型的外包络尺寸。

在本申请的一些具体实施例中，沿预设方向从第二级起，每一个点阵胞元中呈上下相对且对角设置的两个杆件的自由端之间连接有第二增杆。

通过在每一个点阵胞元中呈上下相对且对角设置的两个杆件的自由端之间连接有第二增杆，从而能够实现对点阵胞元构型的改变，且不会改变点阵胞元构型的外包络尺寸。

在本申请的一些具体实施例中，每一个杆件与水平面的夹角均大于40°，水平面垂直于预设方向。

通过将每一个杆件与水平面的夹角设置为大于40°，不仅能够保证整个层状点阵稳定，而且满足增材制造高精度成形工艺约束，更容易加工制造，从而使得结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。

在本申请的一些具体实施例中，包括沿预设方向依次连接的第一级层状点阵、第二级层状点阵、第三级层状点阵以及第四级层状点阵；

每一级均包括至少一层层状点阵；每一层层状点阵均包括多个呈阵列状连接的点阵胞元；

第二级层状点阵中的每一个点阵胞元中呈上下相对设置的两个杆件的自由端之间还连接有第一增杆，且每一个第一增杆均沿预设方向设置；

第三级层状点阵包括第一增杆，每相邻的两个第一增杆之间还设置有一个第二增杆；第二增杆连接于每一个点阵胞元中呈上下相对且对角设置的两个杆件的自由端之间；

第四级层状点阵包括第一增杆，且每相邻的两个第一增杆之间设置两个相交的第二增杆。

通过将该梯度点阵结构设置为四级，并且在第一级的基础上，在第二级增加第一增杆；在第三级时在第二级的基础上增加一个第二增杆；在第四级时，在第三级的基础上再增加一个第二增杆，且第一增杆和第二增杆的位置均按照预设的位置连接，实现了整个梯度点阵结构构型的梯度增加。

第二方面，本申请实施例提供了一种面向增材制造的梯度点阵结构设计方法，包括：沿预设的增材制造工艺竖直方向依次连接多级层状点阵，每一级层状点阵均包括至少一个点阵胞元；将每一个点阵胞元中的多个基本杆件相交于一点，并使点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性；

沿预设的增材制造工艺竖直方向，逐级以预设的连接位置，增加每一级层状点阵中的每一个点阵胞元中的杆件数量，以使点阵胞元的构型逐级梯度变化。

采用该方法，逐级以预设的安装位置，增加每一级层状点阵中的每一个点阵胞元中的杆件数量，以使点阵胞元的构型逐级梯度变化。不需要改变点阵胞元的外包络尺寸或者杆件的直径，实现了整个梯度点阵结构的刚度和强度的梯度增加。因此，更容易加工制造且获得性能稳定的梯度点阵结构。采用该设计方法，加工制造梯度点阵结构时，只需要根据制造技术或制造设备能够稳定成形的结构尺寸范围，进行点阵胞元杆件直径和点阵胞元外包络尺寸设计，通过相同外包络尺寸点阵胞元的构型设计，就能够实现点阵结构的性能梯度变化。该方法极大地解决了目前受增材制造力学性能稳定成形结构最小特征尺寸的限制，梯度点阵结构制造难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种梯度点阵结构的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种梯度点阵结构的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的四级梯度点阵结构的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的梯度点阵结构的三重对称的基本型点阵胞元的示意图；

图5为相对图4提供的三重对称的梯度增加构型的点阵胞元示意图；

图6为相对图5提供的三重对称的梯度增加构型的点阵胞元示意图；

图7为相对图6提供的三重对称的梯度增加构型的点阵胞元示意图；

图8为本申请实施例提供的梯度点阵结构的四重对称的基本型点阵胞元的示意图；

图9为相对图8提供的四重对称的梯度增加构型的点阵胞元示意图；

图10为相对图9提供的四重对称的梯度增加构型的点阵胞元示意图；

图11为相对图10提供的四重对称的梯度增加构型的点阵胞元示意图；

图12为本申请实施例提供的梯度点阵结构的六重对称的基本型点阵胞元的示意图；

图13为相对图12提供的六重对称的梯度增加构型的点阵胞元示意图；

图14为相对图13提供的六重对称的梯度增加构型的点阵胞元示意图；

图15为相对图14提供的六重对称的梯度增加构型的点阵胞元示意图。

图标：100-梯度点阵结构；110-层状点阵；111-点阵胞元；112-第一增杆；113-第二增杆；114-基本杆件；Ⅰ-第一级层状点阵；Ⅱ-第二级层状点阵；Ⅲ-第三级层状点阵；Ⅳ-第四级层状点阵。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“竖直”、“水平”指激光选区熔化等增材制造工艺过程的竖直方向与水平方向；术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参照图1-图15。本申请实施例提供的一种梯度点阵结构100，包括：多级沿预设方向依次连接的层状点阵110，每一级层状点阵110均包括至少一个点阵胞元111。每一个点阵胞元111均包括多个基本杆件114，多个基本杆件114相交于一点，点阵胞元111相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性。沿预设方向，每一级层状点阵110中的每一个点阵胞元111的构型相对于前一级层状点阵110中的每一个点阵胞元111的构型梯度增加。

进一步地，每一级层状点阵110均包括至少一层，每相邻的两层层状点阵110沿预设方向依次连接。

通过将每一级的层状点阵110设置为包括至少一层，从而能够根据实际的需要设计整个梯度点阵结构100的高度，进而使得该梯度点阵结构100能够适用于不同的使用环境，应用广泛。

进一步地，每一层的层状点阵110包括至少一个点阵胞元111。当每一层层状点阵110包括多个点阵胞元111时，点阵胞元111呈阵列状连接在一起。

图1示例性地给出了每一级层状点阵110包括两层，每层包括一个点阵胞元111时的梯度点阵结构100。图2示例性地给出了每一级层状点阵110包括两层，每一层包括多个点阵胞元111时的梯度点阵结构100。

进一步地，多级层状点阵110一体成型。

通过将多级的层状点阵110一体成型，使得整个梯度点阵结构100的成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。

进一步可选地，多级层状点阵110通过激光选区熔化成形工艺一体成型。

该工艺制得的梯度点阵结构100，结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。

进一步可选地，沿预设方向每一级层状点阵110中的每一个点阵胞元111的基本杆件114数量相对于前一级层状点阵110中的每一个点阵胞元111的基本杆件114数量呈梯度增加。

通过在每一级的层状点阵110中增加基本杆件114的数量，能够改变点阵胞元111的构型，且不会改变点阵胞元111构型的外包络尺寸。通过梯度增加每一级的层状点阵110中的每一个点阵胞元111的基本杆件114数量，使得每一级中的点阵胞元111的构型梯度改变，从而实现整个梯度点阵结构100的刚度和强度的梯度增加。

进一步可选地，沿预设方向从第二级起，每一级中的每一个点阵胞元111中呈上下相对设置的两个基本杆件114的自由端之间连接有第一增杆112，且每一个第一增杆112均沿预设方向设置。

通过在每一个点阵胞元111中呈上下相对设置的两个基本杆件114的自由端之间连接有第一增杆112，并保证第一增杆112沿预设方向设置，从而能够实现对点阵胞元111构型的改变，且不会改变点阵胞元111构型的外包络尺寸。

进一步可选地，沿预设方向从第二级起，每一个点阵胞元111中呈上下相对且对角设置的两个基本杆件114的自由端之间连接有第二增杆113。

通过在每一个点阵胞元111中呈上下相对且对角设置的两个基本杆件114的自由端之间连接有第二增杆113，从而能够实现对点阵胞元111构型的改变，且不会改变点阵胞元111构型的外包络尺寸。

参照图3，在本申请一可选的实施例中，该梯度点阵结构100包括四级，每一级包括至少一层层状点阵110。具体而言，每一级层状点阵110包括n层，n为正整数。进一步可选地，示例性地，在本实施例中，参照图3，n等于2。即每一级均包括2层层状点阵110。

具体而言，第一级层状点阵Ⅰ包括2层层状点阵110，每一层均包括至少一个点阵胞元111。示例性地，参照图3，图3给出了每一层设置一个点阵胞元111，且每一级包括2层层状点阵110的示意图。

进一步可选地，第二级层状点阵Ⅱ的构型相对于第一级层状点阵Ⅰ的构型呈梯度增加。具体而言，通过增加基本杆件114的数量，并将增加的基本杆件114按照预设的位置连接在点阵胞元111上，从而实现对点阵胞元111的构型的改变。同样地，第三级层状点阵Ⅲ，在第二级层状点阵Ⅱ的基础上，继续通过增加基本杆件114数量以及连接位置的改变，改变第三级层状点阵Ⅲ的构型，实现点阵胞元的刚度和强度逐级增强。进一步地，第四级层状点阵Ⅳ在第三级层状点阵Ⅲ的基础上，继续通过增加基本杆件114数量以及连接位置的改变，改变第四级层状点阵Ⅳ的构型，实现点阵胞元的刚度和强度逐级增强，最终实现整个点阵结构的性能的梯度增加，从而能够很好地应用于航天器着陆缓冲吸能结构。

进一步地，上述的具有空间对称结构的点阵胞元111可以选择三重对称的胞元结构、四重对称的胞元结构或者六重对称的胞元结构。

通过将上述的点阵胞元111选择设置为三重对称的胞元结构、四重对称的胞元结构或者六重对称的胞元结构，能够满足将其平移阵列后达到相邻点阵胞元杆件自由端均相互重合、从而多个点阵胞元之间无缝连接的目的。

具体而言，在本申请的一种可选的实施例中，参照图4，可以选择通过六根基本杆件114相交于一点实现三重对称，得到三重对称的基本点阵胞元。进一步地，参照图5-7，通过增加基本杆件114的数量，并按照预设的位置增加基本杆件114实现点阵胞元111构型的梯度变化。具体而言，参照图5，在图4中得到的三重对称的点阵胞元中呈上下相对设置的两个基本杆件114的自由端之间连接第一增杆112，且每一个第一增杆112均沿预设方向设置，从而使得点阵胞元111的构型发生变化。进一步地，参照图6，在图5中得到的点阵胞元111的相邻的两个第一增杆112之间设置一个第二增杆113，且使第二增杆113连接于每一个点阵胞元111中呈上下相对且对角设置的两个基本杆件114的自由端之间，从而使得点阵胞元111的构型发生变化。进一步地，参照图7，在图6中得到的点阵胞元111中再增加一个第二增杆113，使得两个第二增杆113相互交叉，从而使得点阵胞元111的构型发生变化。

进一步地，图4-7示出的四种点阵胞元111，逐级依次连接后形成梯度点阵结构100。具体而言，图4示出的点阵胞元111结构为第一级，图5示出的点阵胞元111结构为第二级，图6示出的点阵胞元111结构为第三级，图7示出的点阵胞元111结构为第四级。如此，制得的该点阵结构，每一级的点阵胞元111的每一个基本杆件114的直径没有发生变化，且每一级的点阵胞元111的外包络尺寸保持不变，仅仅通过改变每一级的点阵胞元111的构型，改变每一级层状点阵110的强度和刚度性能，实现整个点阵结构性能的梯度变化。因此，这种具有固定外包络尺寸以及固定基本杆件114直径的点阵结构极大地方便了加工制造，且有利于保持整个点阵结构性能的稳定。

需要说明的是，每一级的点阵胞元111的数量以及每一级的层数根据实际的需要选择设置。

在本申请其他可选的实施例中，可以根据实际的需要，按照不同的顺序对上述的点阵胞元111进行连接。例如，当选择三级点阵结构时，可以根据实际需要不设置图4中示出的点阵胞元111的结构，直接将图5中示出的点阵胞元111作为第一级层状点阵，将图6中示出的点阵胞元111作为第二级层状点阵，将图7中示出的点阵胞元111作为第二级层状点阵。进一步可选地，在其他需要的应用场景中，也可以将上述图4-图7示出的各种层状点阵110按照任意的顺序进行连接。

进一步地，在本申请其他可选的实施例中，参照图8，可以选择通过八根基本杆件114相交于一点实现四重对称，得到四重对称的点阵胞元。进一步地，参照图8-11，通过增加基本杆件114的数量，并按照预设的位置增加基本杆件114实现点阵胞元111构型的梯度变化。具体而言，参照图9，在图8中得到的四重对称的点阵胞元中呈上下相对设置的两个基本杆件114的自由端之间连接第一增杆112，且每一个第一增杆112均沿预设方向设置，从而使得点阵胞元111的构型发生变化。进一步地，参照图10，在图9中得到的点阵胞元111的相邻的两个第一增杆112之间设置一个第二增杆113，且使第二增杆113连接于每一个点阵胞元111中呈上下相对且对角设置的两个基本杆件114的自由端之间，从而使得点阵胞元111的构型发生变化。进一步地，参照图11，在图10中得到的点阵胞元111中再增加一个第二增杆113，使得两个第二增杆113相互交叉，从而使得点阵胞元111的构型发生变化。

进一步地，图8-11示出的四种点阵胞元111，逐级依次连接后形成梯度点阵结构100。具体而言，图8示出的点阵胞元111结构为第一级，图9示出的点阵胞元111结构为第二级，图10示出的点阵胞元111结构为第三级，图11示出的点阵胞元111结构为第四级。如此，制得的该点阵结构，每一级的点阵胞元111的每一个基本杆件114的直径没有发生变化，且每一级的点阵胞元111的外包络尺寸保持不变，仅仅通过改变每一级的点阵胞元111的构型，改变每一级层状点阵110的强度和刚度性能，实现整个点阵结构性能的梯度变化。因此，这种具有固定外包络尺寸以及固定基本杆件114直径的点阵结构极大地方便了加工制造，且有利于保持整个点阵结构性能的稳定。

需要说明的是，每一级的点阵胞元111的数量以及每一级的层数根据实际的需要选择设置。

与三重对称的点阵胞元的连接方式相同，图8-图11示出的四重对称的点阵胞元也可以根据实际的需要，按照不同的顺序对上述的点阵胞元进行连接；或者选择需要的级数进行连接。

在本申请其他可选的实施例中，参照图12，可以选择通过十二根基本杆件114相交于一点实现六重对称，得到六重对称的点阵胞元。进一步地，参照图12-15，通过增加基本杆件114的数量，并按照预设的位置增加基本杆件114实现点阵胞元111构型的梯度变化。具体而言，参照图13，在图12中得到的三重对称的点阵胞元中呈上下相对设置的两个基本杆件114的自由端之间连接第一增杆112，且每一个第一增杆112均沿预设方向设置，从而使得点阵胞元111的构型发生变化。进一步地，参照图14，在图13中得到的点阵胞元111的相邻的两个第一增杆112之间设置一个第二增杆113，且使第二增杆113连接于每一个点阵胞元111中呈上下相对且对角设置的两个基本杆件114的自由端之间，从而使得点阵胞元111的构型发生变化。进一步地，参照图15，在图14中得到的点阵胞元111中再增加一个第二增杆113，使得两个第二增杆113相互交叉，从而使得点阵胞元111的构型发生变化。

进一步地，图12-15示出的四种点阵胞元111，逐级依次连接后形成梯度点阵结构100。具体而言，图12示出的点阵胞元111结构为第一级，图13示出的点阵胞元111结构为第二级，图14示出的点阵胞元111结构为第三级，图15示出的点阵胞元111结构为第四级。这种六重对称的点阵胞元制得的梯度点阵结构100每一个基本杆件114的直径也没有发生变化，每一级的点阵胞元111的外包络尺寸也保持不变，因此，也能够极大地方便加工制造，同时实现逐级梯度增加点阵结构性能。

当然，这种六重对称的点阵胞元制得的梯度点阵结构每一级的层数也是可以根据实际的需要选择设置。在一些特定需求的使用场景下，也可以将图12-图15示出的各个点阵胞元任意选择并按照任意顺序连接。

进一步地，每一个杆件与水平面的夹角均大于40°。

具体而言，前述的一些实施例中的提供的点阵胞元111结构中的每一个基本杆件114均与水平面的夹角均大于40°。例如，前述实施例中提供的三重对称的胞元结构中六根杆件与均与水平面的夹角均大于40°。前述实施例中提供的四重对称的胞元结构中八根基本杆件114与均与水平面的夹角均大于40°。前述实施例中提供的六重对称的胞元结构中十二根基本杆件114与均与水平面的夹角均大于40°。

需要说明的是，上述水平面垂直于预设方向。

通过将每一个基本杆件114与水平面的夹角设置为大于40°，不仅能够保证整个点阵胞元111结构稳定，而且满足增材制造高精度成形工艺约束，更容易加工制造，从而使得结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。

需要说明的是，上述的梯度点阵结构100中的基本杆件114的具体形状是不限定的，可以选择管状、柱状等。上述梯度点阵结构100的材料可以选择本领域常见的合金材料，利用铝合金、钛合金等。

本申请实施例提供的这种梯度点阵结构，能够用于航天器缓冲吸能结构，且具有良好的缓冲吸能性能。

进一步可选地，在该梯度点阵结构的外部包裹蒙皮，能够进一步地提高结构缓冲吸能性能。

本申请一些实施例还提供了一种梯度点阵结构设计方法，包括：沿预设的增材制造工艺竖直方向依次连接多级层状点阵层状点阵，每一级所述层状点阵均包括至少一个点阵胞元；将每一个所述点阵胞元中的多个基本杆件相交于一点，并使点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性；沿预设的增材制造工艺竖直方向，逐级以预设的连接位置，增加每一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元中的杆件数量，以使所述点阵胞元的构型逐级梯度变化。

采用该方法，逐级以预设的安装位置，增加每一级层状点阵中的每一个点阵胞元中的杆件数量，以使点阵胞元的构型逐级梯度变化。不需要改变点阵胞元的外包络尺寸或者杆件的直径，实现了整个梯度点阵结构的刚度和强度的梯度增加。因此，更容易加工制造且获得性能稳定的梯度点阵结构。采用该设计方法，加工制造梯度点阵结构时，只需要根据制造技术或制造设备能够稳定成形的结构尺寸范围，进行点阵胞元杆件直径和点阵胞元外包络尺寸设计，通过相同外包络尺寸点阵胞元的构型设计，就能够实现点阵结构的性能梯度变化。该方法极大地解决了目前受增材制造力学性能稳定成形结构最小特征尺寸的限制，梯度点阵结构制造难的问题。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种梯度点阵结构，其特征在于，包括：

多级沿预设方向依次连接的层状点阵，每一级所述层状点阵均包括至少一个点阵胞元；每一个所述点阵胞元均包括多个杆件，其中多个基本杆件相交于一点，且所述点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性；

沿预设方向，每一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的构型相对于前一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的构型梯度增加；沿预设方向从第二级起，每一级中的每一个所述点阵胞元中呈上下相对设置的两个杆件的自由端之间连接有第一增杆，且每一个所述第一增杆均沿所述预设方向设置。

2.如权利要求1所述的梯度点阵结构，其特征在于，

每一级所述层状点阵均包括至少一层，每相邻的两层所述层状点阵沿预设方向依次连接。

3.如权利要求1所述的梯度点阵结构，其特征在于，

多级所述层状点阵一体成型。

4.如权利要求1所述的梯度点阵结构，其特征在于，

每一个基本型所述点阵胞元包括六根所述杆件；或者

每一个基本型所述点阵胞元包括八根所述杆件；或者

每一个基本型所述点阵胞元包括十二根所述杆件。

5.如权利要求1-4任一项所述的梯度点阵结构，其特征在于，

沿预设方向每一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的杆件数量相对于前一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的杆件数量呈梯度增加。

6.如权利要求1-4任一项所述的梯度点阵结构，其特征在于，

沿预设方向从第二级起，每一个所述点阵胞元中呈上下相对且对角设置的两个杆件的自由端之间连接有第二增杆。

7.如权利要求1-4任一项所述的梯度点阵结构，其特征在于，

每一个所述杆件与水平面的夹角均大于40°，所述水平面垂直与所述预设方向。

8.如权利要求1所述的梯度点阵结构，其特征在于，包括沿预设方向依次连接的第一级层状点阵、第二级层状点阵、第三级层状点阵以及第四级层状点阵；

每一级均包括至少一层所述层状点阵；每一层所述层状点阵均包括多个呈阵列状连接的所述点阵胞元；

所述第二级层状点阵中的每一个所述点阵胞元中呈上下相对设置的两个所述杆件的自由端之间还连接有第一增杆，且每一个所述第一增杆均沿所述预设方向设置；

所述第三级层状点阵包括所述第一增杆，每相邻的两个所述第一增杆之间还设置有一个第二增杆；所述第二增杆连接于每一个所述点阵胞元中呈上下相对且对角设置的两个所述杆件的自由端之间；

所述第四级层状点阵包括所述第一增杆，且每相邻的两个所述第一增杆之间设置两个相交的所述第二增杆。

9.一种面向增材制造的梯度点阵结构设计方法，其特征在于，包括：

沿预设的增材制造工艺竖直方向依次连接多级层状点阵，每一级所述层状点阵均包括至少一个点阵胞元；将每一个所述点阵胞元中的多个基本杆件相交于一点，并使所述点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性；

沿预设的增材制造工艺竖直方向，逐级以预设的连接位置，增加每一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元中的杆件数量，以使所述点阵胞元的构型逐级梯度变化；

沿预设方向从第二级起，每一级中的每一个所述点阵胞元中呈上下相对设置的两个杆件的自由端之间连接有第一增杆，且每一个所述第一增杆均沿所述预设方向设置。

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