CN113886998A

CN113886998A - 一种多层球结构的设计方法

Info

Publication number: CN113886998A
Application number: CN202111479730.0A
Authority: CN
Inventors: 郑会龙; 陈晓奎; 杨肖芳; 张谭; 康振亚
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2041-12-07
Also published as: CN113886998B

Abstract

本申请提供了一种多层球结构的设计方法，属于数据记录器技术领域，具体包括获取所需制造的多层球结构的具体结构参数；获取所述多层球结构中相邻壳层的间隙内填充物的填充数量和填充密度；利用建模软件基于所述结构参数、填充数量和填充密度对所述多层球结构进行参数化建模；利用仿真软件对所述多层球结构的整体结构强度和刚度进行仿真校核；根据仿真结果，对所述多层球结构进行优化；根据优化结果制作所述多层球结构。通过本申请的处理方案，可有效提高球结构的抗爆炸和抗冲击性能。

Description

一种多层球结构的设计方法

技术领域

本申请涉及数据记录器技术领域，尤其涉及一种多层球结构的设计方法。

背景技术

数据记录器俗称“黑匣子”，在世界各国相关条例的强制要求下，飞机都必须安装数据记录器，主要的目的是用于事故原因的分析。

现用的主流黑匣子体积约300×200×150mm³，重量约20kg，可见其又大又重。外壳通常采用0.64cm厚的不锈钢或钛合金制成，2.54 cm厚的高温绝缘体安放在外壳中。最里面的记录单元CSMU（坠毁生存记忆单元）使用三层材料，将存储数字信息的内存片隔离，并保存起来，即使是这样的层层保护，仍然在有些空难中黑匣子遭到损坏。

因此，需要研发一种体积更小、质量更轻、保护能力更强的新型黑匣子，用于满足轻量化的发展需求。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种多层球结构的设计方法，至少部分解决现有技术中存在的黑匣子的重量较重、在有些空难中仍会遭到损坏的问题。

本申请实施例提供一种多层球结构的设计方法，包括如下步骤：

获取所需制造的多层球结构的具体结构参数；

获取所述多层球结构中相邻壳层的间隙内填充物的填充数量和填充密度；

利用建模软件基于所述结构参数、填充数量和填充密度对所述多层球结构进行参数化建模；

利用仿真软件对所述多层球结构的整体结构强度和刚度进行仿真校核；

根据仿真结果，对所述多层球结构进行优化；

根据所优化结果制作所述多层球结构。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述获取所需制造的多层球结构的具体结构参数包括：根据保护对象尺寸计算多层球结构最内壳层形成的安全空间大小。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述获取所需制造的多层球结构的具体结构参数还包括：根据安装区域限制条件计算所述多层球结构的最外壳层的大小。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述获取所需制造的多层球结构的具体结构参数还包括：根据载荷和安全系数要求计算所述多层球结构的层数、壳层壁厚和相邻壳层的间隙大小。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，在获取相邻壳层的间隙内填充物的填充数量和填充密度时，依据每个壳层比表面积、相邻壳层间隙内填充物均匀填充要求以及3D打印技术的要求进行。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，利用建模软件进行参数化建模时，采用空间曲线阵列方法对相邻壳层间隙内均匀填充的填充物进行设计。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，在多层球结构进行优化过程中，采用目标驱动优化技术对所述多层球结构的质量和性能进行优化，所述目标驱动优化技术的优化参数为所述多层球结构的层数、壳层壁厚、相邻壳层的间隙大小、填充物的填充数量和填充物的填充密度的一种或多种的组合。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述制作所述多层球结构具体为：将优化结果数据导入到3D打印成型设备中，利用3D打印技术制作所述多层球结构。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述填充物的填充密度是由外层间隙到内层间隙逐步增大或者各个间隙内填充物的填充密度相同。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述填充物为蜂巢结构、开孔泡沫、闭孔泡沫或点阵结构的胞元结构填充物。

本发明的有益效果：本申请实施例中的多层球结构的设计方法，可根据实际安装情况以及所需的安全空间大小对多层球结构的结构参数进行调整，并采用拓扑优化技术针对载荷、安全系数和整体结构强度、刚度等的要求对多层球结构进行优化设计，以及采用3D打印技术进行一体化成型打印，通过该方法设计制造的多层球结构能保证整体结构的抗爆炸、抗冲击性能，有效保护内部安全空间，并且该多层球结构体积小、质量轻。

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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1为根据本发明实施例的多层球结构的剖视图；

图2为根据本发明实施例的多层球结构设计方法的流程图；

图3为根据本发明实施例的多层球结构设计方法的流程图；

图4为根据本发明实施例的多层球结构设计方法的流程图。

图中附图标记为：1、球形壳体；2、安全空间；3、间隙。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

为使本发明更易于理解，此处先对多层球结构作下简单说明。如图1所示，图中为多层球结构的内部结构剖视图。包括球形壳体1，所述球形壳体内部设有安全空间2，球形壳体1包括由外至内设置的四层外壳，相邻两壳层之间设有间隙3，每层间隙3内由点阵结构的填充物均匀填充，球形壳体1的最内壳层的内壁形成安全空间2。本结构能保证整体结构的抗爆炸、抗冲击性能，有效保护内部安全空间。需要说明的是，多层球结构的壳层数量并不局限于本实施例。

下面对本申请的多层球结构的设计方法进行详细描述，如图2所示，具体包括如下步骤：

S201、获取所需制造的多层球结构的具体结构参数。本步骤主要是根据实际应用情况对所使用的多层球结构进行尺寸的设计，以使多层球结构可以满足应用条件，此步骤为结构参数的初步设定，通过后续步骤再对结构参数进行优化。

具体的，参照图3，获取所需制造的多层球结构的具体结构参数包括：

S2011、根据保护对象尺寸计算多层球结构最内壳层形成的安全空间大小。例如，当多层球结构应用于飞行数据记录器时，多层球结构内部需要安装记录单元CSMU，因此，需要根据记录单元的尺寸大小对多层球结构的最内层壳层所形成的安全空间3的大小进行设计，安全空间3用于安装记录单元。

S2012、根据安装区域限制条件计算所述多层球结构的最外壳层大小。当该多层球结构安装在不同位置时，比如将其安装在飞机上或者安装在汽车上等，根据实际安装的区域大小或者所需要的多层球结构的大小，计算多层球结构的最外层壳层的大小。

S2013、根据载荷和安全系数要求计算所述多层球结构的层数、壳层壁厚和相邻壳层的间隙3大小。此步骤中，还可以结合工程经验，如利用多次实验积累的经验值形成的设计数据库作参考，结合载荷和安全系数的要求，对多层球结构的层数、壳层壁厚和相邻壳层的间隙3大小进行设计。

本实施例中，多层球结构的层数至少为两层，每个壳层壁厚相同，各相邻壳层的间隙3大小相同，各部分的具体尺寸需要根据实际应用情况通过计算确定。

为实现多层球结构具有更好的抗冲击性能，对多层球结构的相邻壳层的间隙3内进行填充物的填充，由于采用3D打印技术可实现一体化成型，因此在设计填充物时需要考虑3D打印技术的要求，具体内容如下步骤S202。

S202、获取所述多层球结构中相邻壳层的间隙3内填充物的填充数量和填充密度。具体的，根据每个壳层比表面积、相邻壳层间隙3内填充物均匀填充以及3D打印技术的要求，获取相邻壳层的间隙3内填充物的填充数量和填充密度。其中，3D打印技术中需要考虑最小支撑间距和悬垂角度的要求。

S203、根据步骤S201和步骤S202的结果，利用建模软件对所述多层球结构进行参数化建模。利用建模软件进行参数化建模时，多层球结构的层数、壳层壁厚、相邻壳层的间隙3大小、填充物的填充数量和填充物的填充密度的一种或多种的组合作为可变参数。采用空间曲线阵列方法对相邻壳层间隙3内均匀填充的填充物进行设计，不同间隙3内的填充物的排列用的空间曲线方程应根据每个壳层大小和填充物的填充密度进行调整。

本实施例中，所用三维建模软件为Solidworks软件，需要说明的是三维建模软件还可为Maya、CATIA或UG NX计算机三维建模软件等其他建模软件。

S204、利用仿真软件对所述多层球结构的整体结构强度和刚度进行仿真校核，整体结构强度和刚度根据实际应用情况而定。

S205、根据所述步骤S204的仿真结果，对所述多层球结构进行优化。

在本实施例中，具体采用目标驱动优化技术对所述多层球结构进行优化，具体的优化参数也即自变量包括：多层球结构的层数、壳层壁厚、相邻壳层的间隙3大小、填充物的填充数量和填充物的填充密度的一种或多种的组合，优化时，需设定自变量的约束条件以及目标驱动化的目标，本实施例中，目标驱动化设计的目标可以是性能最优或重量最轻，并寻找最优组合，获得最优的多层球结构的结构参数。

在优化过程中，若多层球结构的结构参数进行组合后优化结果未能达到设计要求，需要从步骤S201开始重复计算。具体的，可以从步骤S2013开始进行重新计算多层球结构的层数、壳层壁厚、相邻壳层的间隙3大小，以及后续步骤，直至达到设计要求。

S206、根据所述S205中的优化结果制作所述多层球结构。

将优化结果数据导入到3D打印成型设备中，利用3D打印技术制作所述多层球结构。参照图4，具体为：

S2061、将优化结果数据的文件格式转换为3D打印机能读取的STL文件，导入到3D打印成型设备中；

S2062、利用3D打印前处理软件，物体会显示在屏幕上，通过移动、旋转、缩放等功能调节好多层球结构的模型的空间位置，对模型进行支撑生成。设置线性支撑，支撑类型有树状和线性，由于线性支撑便于打印与拆除，所以这里选择线性支撑。设置底板，打印底板可以使模型更好地贴合在打印平台上，也方便后续打印完成后产品的取出。

S2063、打印模型，需要选取合适的打印方案，可以为低质量、标准或高质量的方案，并选择相应的成型材料和快速成型工艺完成多层球结构的打印成型。打印完成后，从打印机中取出产品并拆除其支撑与底板，这样就得到了所需的3D打印的多层球结构的产品。

在本实施例中，多层球结构的壳层和填充物所采用的3D打印材料为钛合金、铝或不锈钢的金属材料，或者为尼龙、PLA或红蜡的非金属材料。成型工艺根据打印材料而确定，金属材料选用SLM、SLS、EBM等，非金属材料选用FDM、SHS等，具体选用材料和成型工艺并不局限于本实施例所列举的。

在一个实施例中，各个间隙内填充物的填充密度相同，也即多层球结构是一个均匀结构。或者填充物的填充密度是由外层间隙到内层间隙逐步增大，也即每层间隙内的填充物均匀填充，位置越靠外的间隙填充物密度越疏，位置越靠内的间隙填充物密度越密，外层较稀疏的填充物布局在冲击载荷下更易发生动态失稳，发生大的弹塑变形，进而吸收大部分冲击能量，内层较密的填充物布局具有更高强度和刚度，降低临近的安全空间发生较大变形的风险。本结构能保证整体结构的抗爆炸、抗冲击性能，有效保护内部安全空间。

进一步的，填充物可设置为胞元结构，胞元结构可设置为蜂巢结构、开孔泡沫、闭孔泡沫或点阵结构。

本发明提供的实施例，针对现有的黑匣子的重量较重、在有些空难中仍会遭到损坏的问题，发明了一种多层球结构，可根据实际安装情况以及所需的安全空间大小对多层球结构的结构参数进行调整，并采用拓扑优化技术针对载荷、安全系数和整体结构强度、刚度等的要求对多层球结构进行优化设计，以及采用3D打印技术进行一体化成型打印，通过该方法设计制造的多层球结构能保证整体结构的抗爆炸、抗冲击性能，有效保护内部安全空间，并且该多层球结构体积小、质量轻。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种多层球结构的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取所需制造的多层球结构的具体结构参数；

根据仿真结果，对所述多层球结构进行优化；

根据所优化结果制作所述多层球结构。

2.根据权利要求1所述的多层球结构的设计方法，其特征在于，所述获取所需制造的多层球结构的具体结构参数包括：根据保护对象尺寸计算多层球结构最内壳层形成的安全空间大小。

3.根据权利要求2所述的多层球结构的设计方法，其特征在于，所述获取所需制造的多层球结构的具体结构参数还包括：根据安装区域限制条件计算所述多层球结构的最外壳层的大小。

4.根据权利要求3所述的多层球结构的设计方法，其特征在于，所述获取所需制造的多层球结构的具体结构参数还包括：根据载荷和安全系数要求计算所述多层球结构的层数、壳层壁厚和相邻壳层的间隙大小。

5.根据权利要求1所述的多层球结构的设计方法，其特征在于，在获取相邻壳层的间隙内填充物的填充数量和填充密度时，依据每个壳层比表面积、相邻壳层间隙内填充物均匀填充要求以及3D打印技术的要求进行。

6.根据权利要求1所述的多层球结构的设计方法，其特征在于，利用建模软件进行参数化建模时，采用空间曲线阵列方法对相邻壳层间隙内均匀填充的填充物进行设计。

7.根据权利要求1所述的多层球结构的设计方法，其特征在于，在多层球结构进行优化过程中，采用目标驱动优化技术对所述多层球结构的质量和性能进行优化，所述目标驱动优化技术的优化参数为所述多层球结构的层数、壳层壁厚、相邻壳层的间隙大小、填充物的填充数量和填充物的填充密度的一种或多种的组合。

8.根据权利要求1所述的多层球结构的设计方法，其特征在于，所述制作所述多层球结构具体为：将优化结果数据导入到3D打印成型设备中，利用3D打印技术制作所述多层球结构。

9.根据权利要求1所述的多层球结构的设计方法，其特征在于，所述填充物的填充密度是由外层间隙到内层间隙逐步增大或者各个间隙内填充物的填充密度相同。

10.根据权利要求1-9任一项所述的多层球结构的设计方法，其特征在于，所述填充物为蜂巢结构、开孔泡沫、闭孔泡沫或点阵结构的胞元结构填充物。