CN111425543A - 一种增强型叠加空心点阵结构及其应用 - Google Patents

一种增强型叠加空心点阵结构及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于点阵结构领域，并具体公开了一种增强型叠加空心点阵结构及其应用，其包括多个三维周期性重复排列的增强型空心点阵单胞，该增强型空心点阵单胞包括外围基础空心单胞和内芯支撑空心单胞，所述外围基础空心单胞与所述内芯支撑空心单胞在重心上重合，且所述内芯支撑空心单胞的连接杆连接点与所述外围基础空心单胞的连接杆中点重合。本发明在实心单胞结构的连接杆体中间去除部分实心，形成空心点阵单胞，实现轻量化；所生产的增强型叠加空心单胞由两种空心单胞所组成，叠加点阵结构的体积低于两种基础点阵结构单独实施下的体积之和，但具备强度高于二者单独工作下的强度之和，最大承载位移高于基础结构单独作用下最大承载位移的特性。

Description

一种增强型叠加空心点阵结构及其应用
技术领域
本发明属于点阵结构领域，更具体地，涉及一种增强型叠加空心点阵结构及其应用。
背景技术
当前，随着科技水平的进步，航空航天领域已经不局限于基础飞行，飞行中节能减排成为主流话题，如机翼和起落架采用比强度较高的轻质合金点阵结构可以实现减震、吸声、轻量化，进而实现节能减排，因此航空领域亟需解决机身轻量化与结构高比强度的问题。
目前科研工作者一般从材料选择和结构设计方面着手，而材料的创新因研发周期长，造成较大局限性，结构设计在该领域占主导地位，如专利CN2018106153511一种轻质空间点阵结构公开了一种具有高强度的轻量化空间点阵结构实现高比强度。然而，以往结构设计多为独立的连接杆三维组合而成单个点阵结构，如专利CN2017102312783公开一种具有功能梯度的点阵结构，但设计出的结构性能很难与自身对比得出结构性能是否提升的结论。于是当两种独立的点阵结构组合成新的点阵结构后若性能具备“1+1>2”的效果，则该结构可进一步实现轻量化和高比强度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种增强型叠加空心点阵结构及其应用，其目的在于，采用两种基础空心点阵结构单胞进行三维组合构成增强型空心点阵单胞，再对其进行周期性重复排列得到增强型叠加空心点阵结构，该叠加空心点阵结构的强度高于两个基础空心点阵结构单独实施下强度之和，最大承载位移分别高于种基础结构单独作用下的最大承载位移，实现结构的轻量化和高比强度。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种增强型叠加空心点阵结构，其包括多个三维周期性重复排列的增强型空心点阵单胞，该增强型空心点阵单胞包括外围基础空心单胞和内芯支撑空心单胞，所述外围基础空心单胞与所述内芯支撑空心单胞在重心上重合，且所述内芯支撑空心单胞的连接杆连接点与所述外围基础空心单胞的连接杆中点重合。
作为进一步优选的，所述外围基础空心单胞包括12条长度相等的半圆柱体空心连接杆，其中，每2条连接杆在自身中点部位处垂直交叉组合共形成6个正方形面，该6个正方形面按照正方体的6个面排布方式组成外围基础空心单胞。
作为进一步优选的，所述内芯支撑空心单胞包括12条长度相等的空心连接杆，其中4条连接杆组成正方形，另外4条连接杆在该正方形所在面的一侧分布，且每条连接杆的一端与正方形4个顶点分别连接，4条空心连接杆的另一端连接于一点；剩下的4条空心连接杆分布于该正方形所在平面的另一侧，且每条连接杆的一端与正方形4个顶点分别连接，4条空心连接杆的另一端连接于一点。
作为进一步优选的，所述内芯支撑空心单胞中连接杆长度为所述外围基础空心单胞中连接杆长度的0.5倍。
作为进一步优选的，所述外围基础空心单胞中的连接杆长度为增强型空心点阵单胞棱长的
Figure BDA0002431814650000021
倍，所述内芯支撑空心单胞中的连接杆长度为增强型空心点阵单胞棱长的
Figure BDA0002431814650000022
倍。
作为进一步优选的，所述外围基础空心单胞和内芯支撑空心单胞中的连接杆，其空心直径与完整外径的比均为0.5。
作为进一步优选的，所述外围基础空心单胞和内芯支撑空心单胞中的连接杆的空心直径为0.4mm，完整外径为0.8mm。
作为进一步优选的，所述增强型空心点阵单胞的棱长为3mm。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述增强型叠加空心点阵结构的应用，将该增强型叠加空心点阵结构用于制作飞机机翼或起落架。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明在实心单胞结构的连接杆体中间去除部分实心，形成空心点阵单胞，相比传统实心点阵结构，轻量化程度进一步提高。
2.本发明的增强型点阵结构由两种基础点阵结构叠加，内芯支撑空心点阵结构提高叠加点阵结构的支撑能力，外围点阵结构是进行总体结构的强化，二者单胞结构具备相似的相对密度，叠加后点阵结构的强度大于二者单独工作的强度总和，最大承载位移大于二者单独作用下的最大承载位移。
3.本发明组合后的增强型叠加空心点阵结构体积低于两种基础空心点阵结构体积之和的13.86％，但相应的强度高于两种基础空心点阵结构单独实施下总和的27.87％，最大承载位移分别高于种基础结构单独作用下最大承载位移的84.6％、50.9％。
附图说明
图1为本发明实施例增强型叠加空心点阵结构示意图；
图2为本发明实施例外围基础空心点阵结构单胞模型示意图；
图3为本发明实施例内芯支撑空心点阵结构单胞模型示意图；
图4为本发明实施例增强型空心点阵结构单胞模型示意图；
图5为本发明实施例三种结构的应力-位移曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种增强型叠加空心点阵结构，如图1所示，包括多个三维周期性重复排列的增强型空心点阵单胞，如图4所示，该增强型空心点阵单胞包括外围基础空心单胞和内芯支撑空心单胞，其中：
如图2所示，所述外围基础空心单胞包括12条长度相等的半圆柱体空心连接杆，其中，每2条连接杆在自身中点部位处垂直交叉组合共形成6个正方形面，该6个正方形面按照正方体的6个面排布方式组成外围基础空心单胞；
如图3所示，所述内芯支撑空心单胞包括12条长度相等的空心连接杆，且该连接杆长度为所述外围基础空心单胞中连接杆长度的0.5倍；内芯支撑空心单胞的构成为：由4条连接杆组成正方形，另外4条连接杆在该正方形所在面的一侧分布，且每条连接杆的一端与正方形4个顶点分别连接，4条空心连接杆的另一端连接于一点；剩下的4条空心连接杆分布于该正方形所在平面的另一侧，且每条连接杆的一端与正方形4个顶点分别连接，4条空心连接杆的另一端连接于一点；
所述外围基础空心单胞与所述内芯支撑空心单胞在重心上重合，且所述内芯支撑空心单胞的连接杆连接点与所述外围基础空心单胞的连接杆中点重合，通过布尔并集操作，实现一体性，保证增强型空心点阵单胞的连续性与完整性，从而提高结构的强度。
进一步的，所述外围基础空心单胞中的连接杆长度为增强型空心点阵单胞棱长的
Figure BDA0002431814650000041
倍，所述内芯支撑空心单胞中的连接杆长度为增强型空心点阵单胞棱长的
Figure BDA0002431814650000042
倍。
进一步的，所述外围基础空心单胞和内芯支撑空心单胞中的连接杆，其空心直径与完整外径的比均为0.5，连接杆的空心直径优选为0.4mm，完整外径为0.8mm。
进一步的，所述增强型空心点阵单胞的棱长为3mm。
以下为具体实施例：
为了实现增强型空心叠加点阵结构的强度高于两个基础空心点阵结构单独实施下强度之和并且大幅度减轻重量实现轻量化，本实施例使用的内芯去除圆柱体直径为与外围圆柱体杆的直径比例为1:2，点阵单胞棱长为3mm，点阵单胞杆体直径为0.8mm，内部去除圆柱体的空心直径为0.4mm。
如图2至图4所示，分别为外围基础空心单胞、内芯支撑单胞以及组合而成的增强型空心点阵单胞，将其分别构成外围基础空心点阵结构、内芯支撑空心结构、增强型叠加空心点阵结构，通过ABAQUS/Explicit进行有限元仿真模拟压缩实验，得出如图5所示的三种结构的强度变化曲线；增强型叠加空心点阵结构的体积为10.54mm3，外围基础空心点阵结构和内芯支撑空心结构的体积分别为6.5365mm3、6.1341mm3，即增强型叠加空心点阵结构的体积低于基础结构体积总和的13.86％；而增强型叠加空心点阵结构的强度为490.67MPa，外围基础空心点阵结构和内芯支撑空心点阵结构的强度分别为180.54MPa、203.2MPa，即强度超越基础结构独立作用下强度总和的27.87％；增强型叠加空心点阵结构达到最高强度时最大承载位移为1.1192mm，而基础空心结构相应的位移分别为0.6063mm、0.7417mm，分别高于两种基础结构84.6％、50.9％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种增强型叠加空心点阵结构，其特征在于，包括多个三维周期性重复排列的增强型空心点阵单胞，该增强型空心点阵单胞包括外围基础空心单胞和内芯支撑空心单胞，所述外围基础空心单胞与所述内芯支撑空心单胞在重心上重合，且所述内芯支撑空心单胞的连接杆连接点与所述外围基础空心单胞的连接杆中点重合。
2.如权利要求1所述的增强型叠加空心点阵结构，其特征在于，所述外围基础空心单胞包括12条长度相等的半圆柱体空心连接杆，其中，每2条连接杆在自身中点部位处垂直交叉组合共形成6个正方形面，该6个正方形面按照正方体的6个面排布方式组成外围基础空心单胞。
3.如权利要求2所述的增强型叠加空心点阵结构，其特征在于，所述内芯支撑空心单胞包括12条长度相等的空心连接杆，其中4条连接杆组成正方形，另外4条连接杆在该正方形所在面的一侧分布，且每条连接杆的一端与正方形4个顶点分别连接，4条空心连接杆的另一端连接于一点；剩下的4条空心连接杆分布于该正方形所在平面的另一侧，且每条连接杆的一端与正方形4个顶点分别连接，4条空心连接杆的另一端连接于一点。
4.如权利要求3所述的增强型叠加空心点阵结构，其特征在于，所述内芯支撑空心单胞中连接杆长度为所述外围基础空心单胞中连接杆长度的0.5倍。
5.如权利要求4所述的增强型叠加空心点阵结构，其特征在于，所述外围基础空心单胞中的连接杆长度为增强型空心点阵单胞棱长的
Figure FDA0002431814640000011
倍，所述内芯支撑空心单胞中的连接杆长度为增强型空心点阵单胞棱长的
Figure FDA0002431814640000012
倍。
6.如权利要求3所述的增强型叠加空心点阵结构，其特征在于，所述外围基础空心单胞和内芯支撑空心单胞中的连接杆，其空心直径与完整外径的比均为0.5。
7.如权利要求6所述的增强型叠加空心点阵结构，其特征在于，所述外围基础空心单胞和内芯支撑空心单胞中的连接杆的空心直径为0.4mm，完整外径为0.8mm。
8.如权利要求1-7任一项所述的增强型叠加空心点阵结构，其特征在于，所述增强型空心点阵单胞的棱长为3mm。
9.如权利要求1-8任一项所述的增强型叠加空心点阵结构的应用，其特征在于，将该增强型叠加空心点阵结构用于制作飞机机翼或起落架。
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