CN112268092A - 一种点阵流变智能结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种点阵流变智能结构，包括由流变材料制作的梯度化点阵结构；其制作方法，包括以下步骤：s1.采用增材制造技术制作树脂基的梯度化点阵结构模具；s2.将所述模具置于铸造烧瓶中加入熔模膏后燃烧，形成空心型壳；s3.在所述空心型壳中浇注液态流变材料，去除外部熔模粉末后进行表面涂层处理后得到所述点阵流变智能结构。本发明的点阵流变智能结构具有可梯度化、体小质轻、刚度可变可调等优越性能，可实现刚度自适应大范围实时调控，实现机械有效减振。

Description

一种点阵流变智能结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及减振领域，尤其涉及一种基于流变材料与点阵结构一体化设计的点阵流变智能结构及其制作方法。该结构具有可梯度化、体小质轻、刚度可变可调等优越性能，可实现刚度自适应大范围实时调控，实现机械有效减振。
背景技术
机械减振是航空航天、汽车工程、水下机器人等海陆空各机械机构的研究重点，是其动态特性的根本保证和核心技术。减振技术涉及力学、声学、机械、电子、材料科学等多学科，贯穿机械研制的全过程，是各装备技术发展的重中之重。公开号为CN201721871436.3的专利—一种阻尼力可调减振器设计了一种新型减震器，用来抑制缓冲弹簧吸震后反弹时的震荡及来自路面的冲击，利用额外增加的减振装置实现了机构的减震降噪，具有广泛性可应用于汽车领域；进一步的，为了解决传统的被动悬架减震器的阻尼和刚度不可变所导致的减震降噪效果不足，公开号为CN201910196125.9的专利—一种车用刚度可控磁流变减振器及刚度调控方法公开了一种新型减振器，该减震器利用了可进行阻尼调节磁流变减震器，并在磁流变半主动悬挂系统的基础上，利用气体刚度与其骑压有关的特点调控刚度，使汽车根据行驶条件自适应调节刚度和阻尼，从而提高行驶平顺性和操作稳定性；然而额外增加的减震器不仅增加了机构的重量和所占空间，减震器其本身的性能上限也决定了其减振效果的优劣；为了不增加额外的空间占比，公开号为CN201410240485.1的专利—一种乘用车用减震降噪水性阻尼涂料及其制作方法公开了一种水性阻尼涂料，替代汽车生产中所用的阻尼胶板，具有阻尼好、作用温域宽、减震降噪效果好等优异特点。
但上述方法都是从外部对已产生的振动进行被动减振，减振范围小、减振精度低、减振效果不足，应用范围有限。随着机械技术的发展及对机械各方面性能要求的提高，如今航空航天、汽车工程、水下机器人等机械的减振装置对减振频域、减振幅度及减振效果的要求更甚，且受空间和重量限制，减振结构或装置的体积需要小、质量需要轻等。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前航空航天、汽车工程、水下机器人等机械的减振降噪问题，创新地将具有可梯度化的可变刚度的点阵结构与具有刚度可调特性的流变材料相结合，提出具有体积小、质量轻且具有时变效应的点阵流变智能结构及其制作方法。该结构主动地增大了减振频域及减振范围，可实现点阵流变智能结构刚度大范围的实时调控，实现了机械的有效减振降噪，适用性广，应用面大。
本发明的一种点阵流变智能结构，包括由流变材料制作的梯度化点阵结构；所述梯度化点阵结构包括重复层叠并相互连接的多个点阵层；所述点阵层包括沿同一平面重复排列并相互连接的多个点阵单胞；沿预设方向每一级所述点阵层中的每一个所述点阵单胞的杆件尺寸或单胞整体尺寸相对于前一级所述点阵层中的每一个所述点阵单胞的杆件尺寸或单胞整体尺寸呈梯度变化；每一级点阵层内的各点阵单胞的尺寸相同，而相邻层级的点阵层内的点阵单胞的杆件尺寸(如单胞的杆径)或整体尺寸(如单胞的高度)逐渐变化，从而获得层间相对密度规律变化的梯度化点阵结构，从而突破点阵结构自身的刚度调节范围极限，最大限度扩大刚度调节频域及幅度；采用流变材料制作梯度化点阵机构，利用麦克斯韦电磁理论，通过外加“场”作用，实现“场”与流变材料刚度的映射关系对应，获得流变材料的刚度特性调节范围，进行刚度的实时调控；本发明的流变智能结构基于刚度耦合理论，将所述梯度化点阵结构和流变材料相耦合，并联设计研究点阵拓扑结构及流变材料的整体刚度调节范围，在外加“场”的作用下，设计具有自适应刚度调控的体积小、质量轻的点阵流变智能结构，实现了机械的普遍有效减振降噪。
本发明的点阵流变智能结构的制作方法，包括以下步骤：
s1.采用增材制造技术制作树脂基的梯度化点阵结构模具；
s2.将所述模具置于铸造烧瓶中加入熔模膏后燃烧，形成空心型壳；
s3.在所述空心型壳中浇注液态流变材料，去除外部熔模粉末后进行表面涂层处理后得到所述点阵流变智能结构。
进一步，步骤s1具体包括：
s11.利用三维建模软件建立单胞构型；将所述的单胞构型进行拓扑优化设计；将优化后的所述单胞构型进行梯度化处理，获得所述梯度化点阵结构；
s12.利用天然树脂作为主要的模料，利用增材制造技术制作梯度化点阵结构模具；
s13.对所制作好的模具进行加工及后处理，以获得具有高的尺寸精度和表面光洁度的模具。
进一步，步骤s2具体包括：
s21.使用铸造蜡将所述模具固定在浇口底座上，并将其放入铸造烧瓶中；
s22.将熔模膏倒入铸造烧瓶，在真空室中脱气，直到其沸腾，以除去残留的气泡；
s23.将铸造烧瓶在室温下放置，进行硬化和干燥；
s24.将铸造烧瓶高温燃烧，倒出液化后的树脂模具，形成空心型壳，并将其进行风冷。
进一步，步骤s3具体包括：
s31.将流变材料熔化为液体，并将其浇铸于所述空心型壳中；
s32.将铸造烧瓶放入真空室抽真空，以提高点阵结构的铸造质量，减少不良缺陷；
s33.浇铸结束后，将流变材料填充后的模具冷却至室温，并通过喷水清洗去除熔模粉末，得到点阵流变智能结构；
s34.对所得到的点阵流变智能结构进行表面涂层处理，以获得表面极性强化点阵流变智能结构。
本发明的有益效果为：
1、本发明的点阵流变智能结构体积小质量轻，有效利用机械重量和空间：能够满足航空航天、汽车工程、水下机器人等海陆空各等机械机构受重量和空间限制，对轻量化、小型化的要求。基于梯度点阵结构的机械设计可具有高比强度、比刚度以及低相对密度，可有效实现体小质轻。
2、本发明能够实现自适应刚度调节：以流变材料为基体的梯度点阵拓扑结构，可在外加“场”的作用下实现刚度的自主实时调节，且刚度可调范围大，时变调控能力强；
3、本发明减振范围大、减振精度高、减振效果强：基于梯度点阵结构及流变材料的可变刚度的并联耦合设计，使刚度调节范围广，覆盖减振频域广、减振幅度大，进行减振范围广，基于外加“场”的控制使得减振精度高、减振效果强。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：
图1为计算机三维建模软件所得到的示例点阵拓扑结构；
图2为利用增材制造技术所获得的点阵流变智能结构模具样件；
图3为熔模铸造过程示意图；
图4为空心型壳的结构示意图；
图5为流变材料浇铸过程示意图；
图6为所获得的点阵流变智能结构示意图；
图7为经表面涂层处理后得到的点阵流变智能结构的示意图；
图8为点阵流变智能结构混合制造工艺总流程图。
具体实施方式
本实施例的点阵流变智能结构的制作方法，包括以下步骤：
s1.采用增材制造技术制作树脂基的梯度化点阵结构模具
如图1所示为计算机三维建模软件所得到的示例点阵拓扑结构。该结构针对复杂多变的振动抑制对结构刚度大范围调控的需求，基于弹塑性模型及材料力学理论进行建立，具有良好的结构-刚度映射关系；该结构包括重复层叠并相互连接的多个点阵层；所述点阵层包括沿同一平面重复排列并相互连接的多个点阵单胞；每一级所述点阵层中的每一个所述点阵单胞的杆件尺寸或单胞整体尺寸相对于前一级所述点阵层中的每一个所述点阵单胞的杆件尺寸或单胞整体尺寸呈梯度变化；从而获得层间相对密度规律变化的梯度化点阵结构，可更好地突破点阵结构自身刚度的极限调节范围，最大限度扩大刚度调节频域及幅度；
如图2所示为利用增材制造技术所获得的点阵流变智能结构模具样件，该样件以天然树脂为模料进行打印。打印完成后，需对其进行简单加工及后处理(去毛刺、修边、打磨、冲洗及风干等)，以获得具有高尺寸精度和高表面光洁度的模具；
s2.将所述模具置于铸造烧瓶中加入熔模膏后燃烧，形成空心型壳
如图3所示为熔模铸造过程。首先准备一个铸造烧瓶，利用铸造蜡将所处理过的模具拓扑构型固定在浇口底座上，将其放入铸造烧瓶，之后将熔模膏缓慢倒入铸造烧瓶中，并在真空室中进行脱气，直到其沸腾，以除去残留的气泡；
如图4所示为空心型壳。将图3中的铸造烧瓶进行高温燃烧，使内部的天然树脂结构熔化为液体倒出，形成空心型壳，并将空心型壳进行风冷；
s3.在所述空心型壳中浇注液态电流变材料，去除外部熔模粉末后进行表面涂层处理后得到所述点阵流变智能结构
如图5所示为流变材料浇铸过程。把高温熔化后的电流变材料缓慢倒入空心型壳中后，将整个铸造烧瓶放入真空室中进行抽真空，以提高点阵结构的铸造质量，减少不良缺陷。
如图6所示为所获得的点阵流变智能结构。浇铸结束后，将电流变材料填充的模型冷却至室温，并通过喷水清洗去除熔模粉末，得到点阵流变智能结构；
如图7所示为经表面涂层处理后得到的表面极性化点阵流变智能结构；
如图8所示为点阵流变智能结构混合制造工艺总流程图，该流程图清晰明了地描述了点阵流变智能结构的混合制造工艺制作过程。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种点阵流变智能结构，其特征在于：包括由流变材料制作的梯度化点阵结构；所述梯度化点阵结构包括重复层叠并相互连接的多个点阵层；所述点阵层包括沿同一平面重复排列并相互连接的多个点阵单胞；沿预设方向每一级所述点阵层中的每一个所述点阵单胞的杆件尺寸或单胞整体尺寸相对于前一级所述点阵层中的每一个所述点阵单胞的杆件尺寸或单胞整体尺寸呈梯度变化。
2.一种权利要求1所述的点阵流变智能结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.采用增材制造技术制作树脂基的梯度化点阵结构模具；
s2.将所述模具置于铸造烧瓶中加入熔模膏后燃烧，形成空心型壳；
s3.在所述空心型壳中浇注液态流变材料，去除外部熔模粉末后进行表面涂层处理后得到所述点阵流变智能结构。
3.根据权利要求2所述的点阵流变智能结构的制作方法，其特征在于：步骤s1具体包括：
s11.利用三维建模软件建立单胞构型；将所述的单胞构型进行拓扑优化设计；将优化后的所述单胞构型进行梯度化处理，获得所述梯度化点阵结构；
s12.利用天然树脂作为主要的模料，利用增材制造技术制作梯度化点阵结构模具；
s13.对所制作好的模具进行加工及后处理，以获得具有高的尺寸精度和表面光洁度的模具。
4.根据权利要求2所述的点阵流变智能结构的制作方法，其特征在于：步骤s2具体包括：
s21.使用铸造蜡将所述模具固定在浇口底座上，并将其放入铸造烧瓶中；
s22.将熔模膏倒入铸造烧瓶，在真空室中脱气，直到其沸腾，以除去残留的气泡；
s23.将铸造烧瓶在室温下放置，进行硬化和干燥；
s24.将铸造烧瓶高温燃烧，倒出液化后的树脂模具，形成空心型壳，并将其进行风冷。
5.根据权利要求2所述的点阵流变智能结构的制作方法，其特征在于：步骤s3具体包括：
s31.将流变材料熔化为液体，并将其浇铸于所述空心型壳中；
s32.将铸造烧瓶放入真空室抽真空，以提高点阵结构的铸造质量，减少不良缺陷；
s33.浇铸结束后，将流变材料填充后的模具冷却至室温，并通过喷水清洗去除熔模粉末，得到点阵流变智能结构；
s34.对所得到的点阵流变智能结构进行表面涂层处理，以获得表面极性强化点阵流变智能结构。
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