CN113819176A - 一种高抗振环形点阵结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高抗振环形点阵结构，每个单胞由2个圆环以及4根支杆构成，将该单胞结构根据实际需求进行阵列排布。本发明的环形结构结合体心立方单胞结构分摊受力，在核心处的体心立方单胞结构崩溃之后，将负载重新分配到相邻层，从而起到很好的抗振作用，吸收更多的能量。本发明利用较少的参数(圆环直径及圆环截面直径)便可对结构进行参数设计和选择性优化，并根据工况对所使用的材料和尺寸进行改进即可。

Description

一种高抗振环形点阵结构
技术领域
本发明是一种具有高抗振吸能的新型点阵结构，这种新型的环形点阵结构的压缩破坏机理与普通杆状的点阵结构(如体心立方结构)完全不同，这种抗振吸能的性能非常适合应用于吸能设备，例如汽车保险杠、防撞设施和一些安全防护领域。
背景技术
点阵夹芯结构自提出以来，其轻质、比刚度高和比强度大等优异的性能受到极大关注，除此之外，还有减震、散热、吸声、电磁屏蔽等特殊性质，是一种综合考虑了材料设计、结构设计、功能设计等因素的新型结构功能材料。点阵夹芯结构的力学性能与母体的结构、材料等密切相关，不同条件制作出来的点阵材料具有不同的等效刚度和强度。点阵材料极强的可设计性使其可以根据实际要求进行多功能一体化设计，从而在航天、航空和航海等方面有着广阔的前景。
新型点阵夹芯结构优异性的体现离不开其强度性能的测试。通过对新型高抗振环形点阵结构的静态力学性能测试，分析其在纯压缩作用下点阵结构的变形机理。由于目前被传统点阵设计的思想的束缚，大多数点阵结构带有尖锐的边缘和典型的节点形态，通常这些地方会发生应力集中，使得应力分布极为不均匀。
发明内容
为了改善现有的点阵结构在追求轻质化的条件下，抗振吸能性能不能完全满足工程设备需要的问题，本发明提供了一种高抗振环形点阵材料。该设计得到的点阵结构具有更加优异的抗振吸能能力，解决了工程设备在追求轻质且高刚度的条件下，忽视抗振吸能性能的问题，可以大大的提高结构的抗振吸能性能。
本发明采用的技术方案为一种高抗振环形点阵结构，点阵夹芯结构的基体由上面板、下面板以及连接在上面板和下面板之间的多个环形单胞组成；环形单胞为点阵夹芯结构的高抗振基体结构；每个环形单胞由2个环形单胞垂直互连以及中间的1个体心立方单胞支撑连接构成；所述的体心立方单胞的每个支脚与2个环形单胞的内壁连接。
新的点阵结构的单胞是基于环形的。从图1中的三维计算机辅助设计(Solidworks)图可以看出，单位单胞由两个相同的环形组成，每个环都属于一个垂直互连的唯一平面。在三个维度上，单胞结构类似于两个互锁的环，在互锁的环中包裹着一个体心立方单胞，环的外直径或内直径可由用户指定。然后，沿三轴定期重复环形单元，以创建新的单胞结构设计。利用很少的参数(例如平面方向，环的数量和壁厚)，可以轻松优化此配置。
一种高抗振环形点阵结构的设计方法，通过以下技术方案实现：
设置芯层环形点阵结构尺寸和变量参数，包括环形截面直径、杆截面直径、环形外直径、环形内直径、环形数量、上面板厚度、下面板厚度、面板长度、面板宽度。
通过选择性激光熔化技术(SLM)，将激光作为能量源，按照三维切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得高抗振环形点阵结构的夹芯部分。
将上面板、夹芯部分、下面板组装在一起，夹芯部分和面板之间焊接在一起，静置等待降温。夹芯部分可以填充阻燃泡沫、粘性材料、保温材料等。
本设计结构的性能优势是：
1.本设计的新型抗振环形设计结构可以多次抵抗崩溃失效，抵抗的次数取决于环形夹芯的层数，且抗压强度降低的幅度很低，当一层高振环形点阵结构失效时，其他层数保持的强度和结构依然具有完整性。
2.选择性激光熔化技术已经基本成熟，在技术层面上完全可以制造出本设计的夹芯结构。
3.打破了传统柱状或板状结构的思想约束。
4.夹芯部分具有较大的孔隙率，可以根据实际情况填充功能性的材料。
5.该结构在减振应用中表现出良好的性能。
附图说明
图1为本发明提供的具有高抗振性能的点阵夹芯结构双方向阵列立体图。
图2为本发明提供的具有高抗振性能的点阵夹芯结构双方向阵列的局部主视图。
图3为本发明提供的具有高抗振性能点阵夹芯结构的单胞立体图。
图4为本发明提供的具有高抗振性能点阵夹芯结构的单胞局部主视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1-图4所示，本发明提供的具有高抗振性能的点阵夹芯结构；其中点阵夹芯结构基体由上面板1、下面板3以及连接在上面板1和下面板3之间的多个单胞2；本实施例中采用的点阵夹芯结构基体为新型环形单胞；单胞2由2个环形结构以及中间1个体心立方单胞构成，将该点阵结构根据实际情况进行阵列排布；本实施例中采用的点阵夹芯结构基体为体心立方单胞结构与环形结构交叉构成。
每个单胞由2个圆环以及4根支杆构成，将该单胞结构根据实际需求进行阵列排布。本发明的环形结构结合体心立方单胞结构分摊受力，在核心处的体心立方单胞结构崩溃之后，将负载重新分配到相邻层，从而起到很好的抗振作用，吸收更多的能量。本发明利用较少的参数(圆环直径及圆环截面直径)便可对结构进行参数设计和选择性优化，并根据工况对所使用的材料和尺寸进行改进即可。
现将本发明提供的具有高抗振性能的点阵夹芯结构工作原理阐述如下：当本实施例受到垂直于上面板1的外载荷作用而产生压力时，单胞3的环形结构结合体心立方单胞结构分摊受力，在核心处的体心立方单胞结构崩溃之后，然后将负载重新分配到相邻层，从而起到很好的抗振作用，吸收更多的能量。整个能量传递和耗散过程不需施加任何外部操作。
图1为附加了两层面板的点阵夹芯结构。本点阵夹芯结构的抗振性能与点阵夹芯结构基体的结构参数、材料参数、边界条件以及所处载荷特征确定单胞的个数有关，因此在实际工作中，需要根据点阵夹芯结构基体的结构参数、材料参数、边界条件以及所处载荷特征确定面板尺寸、单胞的个数及位置。
将该点阵结构根据实际情况进行阵列排布；本实施例中采用的点阵夹芯结构基体为BCC单胞结构与环形结构交叉构成。新型高抗振环形点阵结构具有极高的吸能效果，当新型高抗振环形点阵结构块的顶层所有单胞同时崩溃时，使应力降至几乎为零，随之塌陷的层与下一层接触，应力就会再次增加，压缩导致点阵结构呈现层状方式的破碎破坏机理。利用很少的参数(圆环直径以及圆环截面直径)便可对结构进行设计和优化。去除尖锐的边缘以及修改典型的节点形状，避免发生应力集中，实现更均匀的应力分布。

Claims (3)

1.一种高抗振环形点阵结构，其特征在于：点阵夹芯结构的基体由上面板、下面板以及连接在上面板和下面板之间的多个环形单胞组成；环形单胞为点阵夹芯结构的高抗振基体结构；每个环形单胞由2个环形单胞垂直互连以及中间的1个体心立方单胞支撑连接构成；所述的体心立方单胞的每个支脚与2个环形单胞的内壁连接。
2.根据权利要求1所述的一种高抗振环形点阵结构，其特征在于：该点阵结构的设计方法如下：
设置芯层环形点阵结构尺寸和变量参数，包括环形截面直径、杆截面直径、环形外直径、环形内直径、环形数量、上面板厚度、下面板厚度、面板长度、面板宽度。
通过选择性激光熔化技术，将激光作为能量源，按照三维切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得高抗振环形点阵结构的夹芯部分。
将上面板、夹芯部分、下面板组装在一起，夹芯部分和面板之间焊接在一起，静置等待降温。
3.根据权利要求1或2所述的一种高抗振环形点阵结构，其特征在于：夹芯部分填充阻燃泡沫、粘性材料或者保温材料。
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