CN113719742B - 组装式高承载周期性多孔结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组装式高承载周期性多孔结构，所述组装式高承载周期性多孔结构由多个可组装的多孔单胞连接而成，每个可组装的多孔单胞由6片环块和8个角码组成，6片环块装配后呈立方体，立方体8个顶点内侧分别安装8个角码，通过螺栓连接环块和角码形成多孔单胞，通过螺栓组连接不同的多孔单胞形成周期性多孔结构。通过改变环块和角码尺寸，可进一步调控周期性多孔结构的承载性能。本发明将多孔单胞分解为多个零件，通过机械连接方式组装形成多孔单胞和周期性多孔结构，可避免加工设备和工艺的限制，在低成本前提下实现任意尺寸和形状丰富的高承载周期性多孔结构的制备，提高了周期性多孔结构的工程适用性。

Description

组装式高承载周期性多孔结构

技术领域

本发明属于周期性多孔结构设计领域，更具体地，涉及一种组装式高承载周期性多孔结构的设计。

背景技术

周期性多孔结构是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成的网状结构，具有低密度、高强度以及吸能承载等优良的力学性能，在车辆、船舶、航空航天和医学等领域具有广泛的应用。周期性多孔结构通过设计基础单胞的拓扑构型和几何尺寸，可以实现功能和特性的调控，具有可设计性强、结构性能稳定的特点。

周期性多孔结构虽然性能优良，但其复杂的制造工艺易限制其工程应用。目前主要采用的周期性多孔结构制造工艺有增材制造法、熔模铸造法、变形成形法和金属丝编织法等。上述制造工艺虽然能够加工不同构型和材料的周期性多孔结构，但仍然面临加工尺寸有限、加工成本高昂等问题。其一，能够制造的最大周期性多孔结构受到设备自身尺寸的限制，导致周期性多孔结构的制备尺寸受限；其二，周期性多孔结构拓扑构型复杂，需要特殊工艺和辅助设备，导致周期性多孔结构制造成本较高。突破制造工艺限制是周期性多孔结构应用实际工程亟待解决的难题，为了实现大批量、大尺寸、低成本、高承载周期性多孔结构的制备与应用，本发明提供了一种组装式高承载周期性多孔结构。将高承载多孔单胞分解为多个零件，每个分解的零件可以通过注塑、冲压等传统工艺大批量加工，通过机械连接方式组装零件形成多孔单胞，再通过机械连接方式组装单胞形成周期性多孔结构，在低成本前提下实现任意尺寸和形状丰富的高承载周期性多孔结构的制备。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供一种组装式高承载周期性多孔结构，该结构由多个环块和角码通过螺栓组连接而成。6片环块和8个角码可组装成一个单胞，多个单胞又可通过螺栓组进行周期性连接。环块和角码可采用传统的加工工艺进行大批量制备，降低了生产成本，消除了加工尺寸的限制。此外，设计的多孔结构单胞以及周期性多孔结构具有优良的承载性能，能够满足工程应用的需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种组装式高承载周期性多孔结构，所述周期性多孔结构由多个可组装的多孔单胞连接而成，每个可组装的多孔单胞由6片环块和8个角码构成，6片环块配合后呈立方体，立方体8个顶点内侧分别安装角码，通过第一螺栓组连接环块和角码形成多孔单胞，通过第二螺栓或第三螺栓组连接不同的多孔单胞形成任意尺寸和形状丰富的周期性多孔结构。

所述环块外侧呈八边形，内侧是封闭对称的曲线，具有一定的厚度；环块设计有2套安装孔，第一套安装孔为4个通孔，设置在与x、y轴平行的边上，第二套安装孔为4个台阶孔，设置在x、y轴呈±45°的边的中点处；所述环块与x、y轴平行的边的侧面设计为45°斜面，与x、y轴呈±45°的边的侧面设计为90°平面；环块在与x轴呈0度、45度、90度和135度方位关于中心对称。

所述环块与x、y轴平行的边的长度为其外形构成的正方形边长的1/4~2/3，环块的厚度为其外形构成的正方形边长的1/15~1/8。

所述角码由三个正交的三角块构成，每个三角块均设有尺寸相同的安装孔，安装孔为通孔且轴线相互垂直。

所述多个可组装的多孔单胞之间的机械连接方式有三种，第一种为在第一套安装孔位置使用4套第二螺栓组进行紧固，第二种为在第二套安装孔位置使用套第三螺栓紧固，第三种为同时在两套安装孔位置进行螺栓组紧固，进一步提高周期性多孔结构的强度和刚度。

所述多孔单胞体积分数设定为0.1~0.5，环块与x、y轴平行的边的长度为其外形构成的正方形边长的1/3~2/3时，多孔单胞构型的体积模量大；环块与x、y轴平行的边的长度为其外形构成的正方形边长的1/8~1/4时，多孔单胞的剪切模量大；所述体积分数为结构体积占立方体空间比例。

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、本发明提供了一种组装式高承载周期性多孔结构，按照分解-装配的思路，先将多孔多孔单胞分解为多片环块，再配合角码进行机械连接，从而组装成一个完整的多孔单胞。相比采用3D打印技术实现复杂构型多孔结构的制造，本发明可以通过传统的注塑、冲压等大规模生产工艺大批量加工单个零件，再通过机械连接方式进行组装，大大降低了多孔结构的生产成本，有效提高了多孔结构的制备效率。

2、同时，本发明提供的组装式周期性多孔结构，可配合螺栓组实现多孔单胞与多孔单胞之间的连接，形成任意尺寸和形状丰富的周期性多孔结构。避免了设备本身可制造体积的限制，易于实现大尺寸、大规模周期性多孔结构的制备，扩大了多孔结构工程应用范围。

3、此外，本发明提供的组装式多孔单胞相对密度较小、体积模量较大，具有轻质、高承载的特点。在降低材料使用量的同时，满足了结构承载性能的需求。且多孔单胞具有良好的缩放性和扩展性，通过简单调整环块的尺寸，可灵活实现体积模量较大或剪切模量较大的多孔单胞构型设计。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施实例提供的环块第一视角三维示意图。

图2是本发明实施实例提供的环块第二视角三维示意图。

图3是本发明实施实例提供的环块第三视角三维示意图。

图4是本发明提供的环块结构尺寸示意图。

图5是本发明角码第一视角三维示意图。

图6是本发明角码第二视角三维示意图。

图7是本发明优选实施例1中组装的一个多孔单胞结构示意图。

图8是本发明优选实施例1中2个多孔单胞组装结构示意图。

图9是本发明优选实施例1中2个多孔单胞组装结构俯视图。

图10是本发明图9中A-A剖视图。

图11是本发明图9中B-B剖视图。

图12是本发明优选实施例2中2个多孔单胞组装结构示意图。

图13是本发明优选实施例2中2个多孔单胞组装结构俯视图。

图14是本发明图13中C-C剖视图。

图15是本发明优选实施例3中4个多孔单胞组装结构示意图。

图16是本发明优选实施例3中4个多孔单胞组装结构俯视图。

图17是本发明图16中D-D剖视图。

图18是本发明优选实施例中有限元分析的结构负载和约束设置示意图。

图19是本发明优选实施例中结构有限元分析的负载-最大变形-应力曲线图。

图中：环块1，角码2，第一螺栓组3，第一多孔单胞4，第二多孔单胞5，第二螺栓组6，第三螺栓组7，第四螺栓组8，第三多孔单胞9，第四多孔单胞10，第一套安装孔1-1，第二套安装孔1-2，第一多孔单胞紧固螺栓组4-1，第二多孔单胞紧固螺栓组5-1。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权利要求为准。

实施例1：

参见图1-11，本发明所提供的组装式高承载周期性多孔结构由一定数量的环块1、角码2和螺栓组构成。

进一步地，所述环块外侧呈八边形，内侧是封闭对称的曲线，具有一定的厚度；环块设计有2套安装孔，第一套安装孔为4个通孔，设置在与x、y轴平行的边的中点处，第二套安装孔1为4个台阶孔，设置在x、y轴呈±45°的边上；所述环块与x、y轴平行的边的侧面设计为45°斜面，与x、y轴呈±45°的边的侧面设计为90°平面；环块在与x轴呈0度、45度、90度和135度方位关于中心对称。

进一步地，在本实施方式中，环块最大边长尺寸为X，所述环块切去边角三角块后的边长尺寸为X/2，环块的厚度为X/12，所述尺寸为X/2的边缘设计为45°斜面。

进一步地，所述第一套安装孔1-1为通孔，第二套安装孔1-2为台阶孔，台阶孔小孔孔径与第一套安装孔的通孔直接相同，以便安装相同直径的螺栓组。

进一步地，所述环块45°斜面为配合面，将6片环块两两配合，形成正方体形状的多孔单胞，在正方体8个顶点内侧位置安装角码2，所述角码2三个面分别与三片环块连接，利用第一螺栓组3进行机械连接，完成紧固。

进一步地，所述角码2由三个正交的三角块构成，每个三角块均设有尺寸相同的安装孔，安装孔为通孔且轴线相互垂直。

进一步地，所述角码2上的安装孔可以与环块1上的第二套安装孔1-2配合；进而便于两者实现组装。

进一步地，所述环块1和角码2可通过3D打印、冲压或注塑工艺制备。

进一步地，所述单胞为对称结构，6个面均相同，所述每个面环块上均设置有第一套安装孔1-1，在此安装孔位置上，第一多孔单胞4和第二多孔单胞5可通过第二螺栓组6紧固；所述第一多孔单胞4和第二多孔单胞5需要4套第二螺栓组6进行机械连接，形成具有2个相同多孔单胞的周期性多孔结构。

实施例2：

参见图12-14，为了提高周期性多孔结构的连接强度，多孔单胞之间的连接方式可以进行调整。

具体地，如实施例1所说明的，当所述第一多孔单胞4上的和第二多孔单胞5连接后，在重合面上，所述第一多孔单胞紧固螺栓组4-1和第二多孔单胞紧固螺栓组5-1轴线重合，为独立的2套螺栓组。

进一步地，将所述重合面上的4套第一多孔单胞紧固螺栓组4-1和第二多孔单胞紧固螺栓组5-1拆除，采用第三螺栓组7进行机械连接，所述第三螺栓组7将第一多孔单胞4上的和第二多孔单胞5直接紧固，有助于提高多孔结构的强度和稳定性。

实施例3：

参见图15-17，本发明提供的组装式高承载周期性多孔结构，可实现多单胞的大尺寸周期性多孔结构的连接。

具体地，当第一多孔单胞4、第二多孔单胞5、第三多孔单胞9和第四多孔单胞10进行组装时，首先按照实施例1或实施例2进行2个单胞的组装。

进一步地，所述第一多孔单胞4、第二多孔单胞5、第三多孔单胞9和第四多孔单胞10将围绕一条重合棱形成田字形多孔结构，所述重合棱边周围需要安装4个第四螺栓组8，所述第四螺栓组8按照顺时针或逆时针顺序，依次对第一多孔单胞4、第二多孔单胞5、第三多孔单胞9和第四多孔单胞10进行紧固。

进一步地，本实施例中，4个第四螺栓组8以顺时针顺序按照首尾相接方式分别将第一多孔单胞4、第二多孔单胞5、第三多孔单胞9和第四多孔单胞10进行机械连接，形成一个整体多孔结构。

进一步地，为说明多孔结构的承载能力，对组装的多孔单胞进行有限元分析。

进一步地，有限元分析中，结构所给定的尺寸为X=40mm，多孔单胞的体积分数约为0.15，结构的材料定义为ABS塑料，所述材料的属性为：密度为1020kg/m³，弹性模量为200MPa，泊松比为0.394，屈服强度为50MPa。

进一步地，图18所示为多孔单胞在有限元分析时的负载和固定约束位置。所述负载施加在多孔单胞上表面，负载从0开始，每次增加50N，直至材料发生破坏。所述固定约束施加在多孔单胞下表面。

进一步地，绘制结构负载-最大变形-应力曲线，如图19所示，观察结构的承载能力。通过有限元分析可知，多孔单胞在承受500N的外力时，结构才发生材料破坏，且破坏时结构的最大变形不到1mm，变形量约为结构尺寸的2.5%。综上可知，本发明所设计的组装式周期性多孔结构具备易制造、轻质量、高承载的优良特点。

Claims (5)

1.一种组装式高承载周期性多孔结构，其特征在于，所述周期性多孔结构由多个可组装的多孔单胞连接而成，每个可组装的多孔单胞由6片环块（1）和8个角码（2）构成，6片环块配合后呈立方体，立方体8个顶点内侧分别安装角码（2），通过第一螺栓组（3）连接环块（1）和角码（2）形成多孔单胞，通过第二螺栓组（6）或第三螺栓组（7）连接不同的多孔单胞形成任意尺寸和形状丰富的周期性多孔结构；

所述环块（1）外侧呈八边形，内侧是封闭对称的曲线，具有一定的厚度；环块（1）设计有2套安装孔，第一套安装孔（1-1）为4个通孔，设置在与x、y轴平行的边上，第二套安装孔（1-2）为4个台阶孔，设置在x、y轴呈±45°的边的中点处；所述环块（1）与x、y轴平行的边的侧面设计为45°斜面，与x、y轴呈±45°的边的侧面设计为90°平面；环块（1）在与x轴呈0度、45度、90度和135度方位关于中心对称；

所述第一套安装孔（1-1）对应安装第二螺栓组（6），第二套安装孔（1-2）对应安装第三螺栓组（7）。

2.根据权利要求1所述的一种组装式高承载周期性多孔结构，其特征在于：所述环块（1）与x、y轴平行的边的长度为其外形构成的正方形边长的1/4~2/3，环块（1）的厚度为其外形构成的正方形边长的1/15~1/8。

3.根据权利要求1所述的一种组装式高承载周期性多孔结构，其特征在于：所述角码（2）由三个正交的三角块构成，每个三角块均设有尺寸相同的安装孔，安装孔为通孔且轴线相互垂直。

4.根据权利要求1所述的一种组装式高承载周期性多孔结构，其特征在于：所述多个可组装的多孔单胞之间的机械连接方式有三种，第一种为在第一套安装孔（1-1）位置使用4套第二螺栓组（6）进行紧固，第二种为在第二套安装孔（1-2）位置使用4套第三螺栓组（7）紧固，第三种为同时在两套安装孔位置进行螺栓组紧固，进一步提高周期性多孔结构的强度和刚度。

5.根据权利要求1所述的一种组装式高承载周期性多孔结构，其特征在于：所述多孔单胞体积分数设定为0.1~0.5，环块（1）与x、y轴平行的边的长度为其外形构成的正方形边长的1/3~2/3时，多孔单胞构型的体积模量大；环块（1）与x、y轴平行的边的长度为其外形构成的正方形边长的1/8~1/4时，多孔单胞的剪切模量大；所述体积分数为结构体积占立方体空间比例。

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