CN113983096A - 一种弯曲主导型压簧式点阵结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种弯曲主导型压簧式点阵结构。包括多个点阵胞元，每个点阵胞元为中心对称结构，包括上圆环、下圆环、弧形支撑杆和螺旋状连杆；每个弧形支撑杆的上端和上圆环连接，下端和下圆环连接，弧形支撑杆数量为多个且在上圆环和下圆环之间均匀设置；螺旋状连杆的起点、终点为某个弧形支撑杆和上圆环、下圆环的交点，且螺旋状连杆的螺旋方向为逆时针，螺旋状连杆以弧形支撑杆为轮廓，整体呈现中凹形，螺旋状连杆在上圆环和下圆环之间均匀分布。受到载荷时，弧形支撑杆起承载作用，螺旋状连杆起支撑及缓冲作用，载荷充分被吸收承载，应力分布相比传统胞元结构承载性能更好，具有更优异的力学性能，在模量、强度和能量吸收上更具有优势。

Description

一种弯曲主导型压簧式点阵结构

技术领域

本发明属于材料结构领域，具体涉及一种弯曲主导型压簧式点阵结构。

背景技术

应用多孔结构是目前公认的减重效果最为明显的工程方案，同时可以提升强度等机械性能，应用在航天、航空业有很大的优势，据测算，若将飞机改用多孔材料，在同等性能条件下，飞机重量将减小到原来的一半。应用多孔结构的另一重要机械性能是提高了冲击韧性，应用在汽车领域可以有效的降低交通事故对乘客的创伤。

点阵结构属于多孔材料与结构的一种，又被称为晶格结构，这类结构往往呈现多孔、周期性、阵列式分布，有着质量轻、比强度高、密度小等优质力学特性以及隔热、吸能、消音降噪等物理特性，目前,针对三维点阵结构优化方法的研究大多数还处于探索阶段,所用的方法多数存在一些局限性，例如有的不适合金属零件的打印和成型，有的不是点阵结构真正意义上的轻量化应用，还有在传统杆状结构基础上改进的点阵桁架结构，本质上是由直杆连接，缺乏韧性，并且在各个直杆连接处存在着高应力集中的问题，容易断裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种周期性排列地的复合点阵结构，通过模仿胫骨并结合螺旋结构的缓震特性，形成具有较好压缩性能及缓震吸能特性的周期性复合结构，解决现有点阵结构难以同时兼顾强度和缓震吸能特性的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种弯曲主导型压簧式点阵结构，包括多个点阵胞元，点阵胞元之间呈空间笛卡尔直角坐标系阵列排布，相邻点阵胞元之间相连接，每个点阵胞元为中心对称结构，包括上圆环、下圆环、弧形支撑杆和螺旋状连杆；

每个弧形支撑杆的凸起向内设置，每个弧形支撑杆的上端和上圆环连接，下端和下圆环连接，弧形支撑杆数量为多个且在上圆环和下圆环之间均匀设置；螺旋状连杆的起点、终点为某个弧形支撑杆和上圆环、下圆环的交点，且螺旋状连杆的螺旋方向为逆时针，螺旋状连杆以弧形支撑杆为轮廓，整体呈现中凹形，螺旋状连杆在上圆环和下圆环之间均匀分布。

进一步的，螺旋状连杆的螺距和数量可调，弧形支撑杆的弧度可调。

进一步的，上圆环和下圆环的横截面为半圆形，上圆环和下圆环的弧面相对设置。

进一步的，弧形支撑杆和螺旋状连杆的横截面为圆形、椭圆形或多边形。

进一步的，弧形支撑杆为等截面或变截面。

进一步的，弧形支撑杆的横截面面积由弧形支撑杆的中心向两端逐渐增大。

进一步的，弧形支撑杆的横截面面积由弧形支撑杆中心向两端逐渐减小。

进一步的，弧形支撑杆的数量为4个，螺旋状连杆的数量为2个，形成两压簧式点阵结构。

进一步的，弧形支撑杆的数量为4个，螺旋状连杆的数量为4个，形成四压簧式点阵结构。

一种制备上述的点阵结构的方法，采用3D打印的方法制备。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)提出的一种周期复合结构点阵结构具有较好压缩性能，吸能缓震效果，在受到载荷时，弧形支撑杆，螺旋连杆共同发生变形，载荷主要由弧形支撑杆承担，即使在弧形支撑杆遭到破坏后，螺旋连杆仍能起支撑作用，同时起缓震吸能作用，使得点阵结构具有更优异的力学性能，尤其是在模量、强度和能量吸收上更具有优势。

(2)本发明提供的点阵零件通过控制弧形支撑杆弧形弧度及螺旋连杆螺距，可实现对点阵的强度及吸能缓震两方面的能力进行一定舍取调整，应用广泛，可应用在诸多领域。

(3)本发明提供的点阵结构，利用本发明的点阵结构可以减轻重量，提高零件的比刚度和比强度，提高零件的可靠性，大大提高零件的能量吸收和缓冲能力。

附图说明

图1是本发明实施例1中两压簧式单胞结构示意图。

图2是本发明实施例1中两压簧式单胞结构的正视示意图。

图3是本发明实施例1中两压簧式30mm×30mm点阵结构示意图。

图4是本发明实施例1中两压簧式单胞结构压缩16％时应力分布云图。

图5是本发明实施例3中四压簧式单胞结构示意图。

图6是本发明实施例3中四压簧式单胞结构的正视示意图。

图7是本发明实施例3中四压簧式30mm×30mm点阵结构示意图。

图8是本发明实施例3中四压簧式单胞结构压缩16％时应力分布云图。

图9是本发明点阵相对密度同为25％，尺寸30mm×30mm的两压簧式点阵，四压簧式点阵，BCC点阵结构及BCCZ点阵结构压缩试验的应力应变曲线图。

图10是本发明点阵两压簧式相对密度同为25％，尺寸30mm×30mm的两压簧式点阵，四压簧式点阵，BCC点阵结构及BCCZ点阵结构的压缩模量、压缩强度和比能量吸收对比图。

图11是弧形支撑杆中心向两端界面面积逐渐增大结构示意图。

图12是弧形支撑杆中心向两端截面面积逐渐减小结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1-8所示，本发明实施例提供的点阵结构包括多个点阵胞元。其中，每个点阵胞元包括多个弧形支撑杆，螺旋状连杆，即根据需要，一定数量上的弯曲连杆在空间上呈现一定的弯曲程度设置，同时使得螺旋连杆呈现不同螺旋轮廓。一定数量上的螺旋状连杆在空间上呈现一定的螺距设置，同时使得螺旋状连杆与弯曲杆及上下两端连环呈现不同位置连接。

在两压簧式点阵结构中，以圆环和弧形支撑杆的杆体为基础，两个圆环的圆弧边相向，且所在平面相互平行，下圆环圆心为原点，下圆环所在平面为xoy面，z正半轴穿过上圆环所在平面，两个圆环之间以四根弧形支撑杆联接，且四根弧形支撑杆下支点分别处于x、y轴正负轴与圆环交点，以弧形支撑杆为轮廓，z正轴为延伸轴，逆时针方向为螺旋方向，胞元单边尺寸为螺距，分别建立两个螺旋状连杆，螺旋状连杆在下圆环可以与弧形支撑杆同一起点；

作为改进，结合第一点阵结构即两压簧式点阵结构的设计方法，改变螺旋状连杆螺距及其数量以及对弧形支撑杆的弧度进行适当调整，对两压簧式点阵结构进行优化，得到四压簧式点阵结构；

四压簧式点阵结构仍以圆环和弧形支撑杆的杆体为基础，在一定程度上减小弧形支撑杆弯曲弧度，增加螺旋状连杆数量为四个，螺旋状连杆起点改为四个弧形支撑杆与下封闭半圆环交点，增大螺距为胞元单边尺寸的四倍，其他设置不变；

结合压簧式点阵结构的两种表现结构方式，螺旋状连杆以弧形支撑杆为轮廓，整体呈现中凹形，类似胫骨结构，每个螺旋状连杆与下圆环的交点(起点)在圆环上均匀分布；

结合压簧式点阵结构的两种表现结构方式，螺旋状连杆与弧形支撑杆平滑连接，弧形支撑杆与螺旋状连杆同时将上下圆环连接支撑；

结合压簧式点阵结构的两种表现结构方式，弧形支撑杆的截面为等截面也可为变截面。变截面为：1.由弧形支撑杆中心向两端界面面积逐渐增大，如图11所示；2.由弧形支撑杆中心向两端截面面积逐渐减小，如图12所示；

结合压簧式点阵结构的两种表现结构方式，弧形支撑杆和螺旋状连杆的横截面为可为圆，椭圆，正方形等；

结合压簧式点阵结构的两种表现结构方式，点阵胞元为中心对称结构；

结合压簧式点阵结构的优化方法，胞元的弧形支撑杆的弧度及螺旋状连杆的螺距及数量可调；

本发明两个胞元结构，点阵胞元之间呈空间笛卡尔直角坐标系阵列排布，相邻胞元之间相连接；

本发明公开了压簧式点阵胞元优化原理及方法，包括以下步骤：

s1.通过计算并利用计算机三维辅助软件CATIA V5对初始模型两压簧式单胞结构进行建模，并利用Magics软件进行阵列处理；

s2.利用abaqus软件对点阵结构进行压缩实验仿真分析，得到应力分布图及应力应变曲线；

s3.根据应力分布图及应力应变曲线对螺旋状连杆数量及螺距，弧形支撑杆弧度及各杆杆截面进行选择：两压簧式点阵结构进行压缩时，通过应力分布图发现其较少承担应力，导致整体单胞结构应力分布不均，故四压簧式单胞将螺距增大，一定程度上减小弧形支撑杆弯曲弧度，同时增加螺旋式连杆数量，使得单胞结构应力分布更加均匀，极大减少结构的消极质量，使其性能更加优异；

s4.结合实验数据，验证点阵胞元优化方法有效性及可靠性。

实施例1：两压簧式单胞及其点阵结构

如图1，图2所示：每个点阵胞元包括四个弧形支撑杆，两个螺旋状连杆。详细实现过程如下：利用三维建模软件CATIA V5，在5mm×5mm×5mm正方形上，平行于XOY平面两面各四边中点处建立点(如点(2.5，0，0)，(2.5，0，5))同时在两平面上建立直径为5mm的圆。

建立点(1.5，0，2.5)，然后对三点(2.5，0，0)，(2.5，0，5)，(1.5，0，2.5)进行曲线连接得到弧形支撑杆，同理可得另外弯曲杆。以弧形支撑杆为轮廓，点(2.5，0，0)为起点，延伸轴为Z轴，螺距为5mm，方向为逆时针，建立螺旋杆，同理建立其他螺旋杆；

针对不同相对密度做不同横截面处理，本实例横截面轮廓为直径为0.918mm的圆，相对密度为25％；

最后建立5mm×5mm×5mm正方形(中心位于XYZ坐标原点)，与上述建模进行布尔交处理，得到点阵单胞。

利用Magics软件进行阵列处理，得到30mm×30mm×30mm点阵，如图3所示。

实施例2：两压簧式单胞优化处理：

将两压簧式单胞结构导入abaqus软件进行压缩实验仿真分析，得到应力分布图，如图4所示，为该单胞压缩至16％时应力分布云图，如图可见，应力主要分布在弧形支撑杠上，两螺旋状支撑杆较少承担应力，导致应力分布不均，对胞元及其点阵压缩性能有较大影响。

由两压簧式单胞压缩应力分布云图分析，主要对其螺旋状支撑杆进行优化：将螺距增大，增大为四倍单胞单边尺寸即20mm，同时增加螺旋式连杆数量为4根，使得单胞结构应力分布更加均匀，同时在一定程度上减小弧形支撑杆弧度，其应力分布云图如图8所示。

实施例3：四压簧式单胞及其点阵结构

如图5，图6所示：每个点阵胞元包括四个弧形支撑杆，四个螺旋状连杆。详细实现过程如下：利用三维建模软件CATIAV5，在5mm×5mm×5mm正方形平行于XOY平面两面各四边中点处建立点(如点(2.5，0，0)，(2.5，0，5))同时在两平面上建立直径为5mm的圆。

建立点(1.5，0，2.5)，然后对三点(2.5，0，0)，(2.5，0，5)，(1.7，0，2.5)进行曲线连接得到弧形支撑杆，使得其弧形支撑杆相对于两压簧式单胞弧度减小，同理可得另外弧形支撑杆。以弧形支撑杆为轮廓，点(2.5，0，0)为起点，延伸轴为Z轴，螺距为20mm，方向为逆时针，建立螺旋杆，同理建立其他螺旋状连杆。

针对不同相对密度做不同横截面处理，本实例横截面轮廓为直径为0.896mm的圆，相对密度为25％；

最后建立5mm×5mm×5mm正方形(中心位于XYZ坐标原点)，与上述建模进行布尔交处理，得到点阵单胞。

利用Magics软件进行阵列处理，得到30mm×30mm×30mm点阵，如图8所示；

最后将这两种新型点阵结构以及BCC和BCCZ点阵结构以树脂为材料进行3D打印制造，然后对点阵结构进行压缩实验。两压簧式点阵结构质量为7.75g,四压簧点阵结构为7.48g,BCC点阵结构为7.88g,BCCZ点阵结构为7.76g,对上述四个点阵结构进行实验并进行结果对比。通过力学压缩实验得到的名义应力应变曲线如图9所示，压缩模量，压缩强度和比能量吸收如图10所示，实验表明，本发明两种单胞点阵结构压缩模量，压缩强度和能量吸收性明显优于BCC点阵结构，对比于BCCZ结构，在能量吸收几乎一致的情况下，本发明两种单胞点阵结构压缩模量，压缩强度都相较优异。同时，优化后的四压簧式单胞点阵结构与两压簧式单胞点阵结构相比，在能量吸收几乎不变的情况下，压缩模量与压缩强度分别提升了36％和40％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种弯曲主导型压簧式点阵结构，其特征在于，包括多个点阵胞元，点阵胞元之间呈空间笛卡尔直角坐标系阵列排布，相邻点阵胞元之间相连接，每个点阵胞元为中心对称结构，包括上圆环、下圆环、弧形支撑杆和螺旋状连杆；

每个弧形支撑杆的凸起向内设置，每个弧形支撑杆的上端和上圆环连接，下端和下圆环连接，弧形支撑杆数量为多个且在上圆环和下圆环之间均匀设置；螺旋状连杆的起点、终点为某个弧形支撑杆和上圆环、下圆环的交点，且螺旋状连杆的螺旋方向为逆时针，螺旋状连杆以弧形支撑杆为轮廓，整体呈现中凹形，螺旋状连杆在上圆环和下圆环之间均匀分布。

2.根据权利要求1所述的点阵结构，其特征在于，螺旋状连杆的螺距和数量可调，弧形支撑杆的弧度可调。

3.根据权利要求2所述的点阵结构，其特征在于，上圆环和下圆环的横截面为半圆形，上圆环和下圆环的弧面相对设置。

4.根据权利要求3所述的点阵结构，其特征在于，弧形支撑杆和螺旋状连杆的横截面为圆形、椭圆形或多边形。

5.根据权利要求4所述的点阵结构，其特征在于，弧形支撑杆为等截面或变截面。

6.根据权利要求5所述的点阵结构，其特征在于，弧形支撑杆的横截面面积由弧形支撑杆的中心向两端逐渐增大。

7.根据权利要求5所述的点阵结构，其特征在于，弧形支撑杆的横截面面积由弧形支撑杆中心向两端逐渐减小。

8.根据权利要求6或7所述的点阵结构，其特征在于，弧形支撑杆的数量为4个，螺旋状连杆的数量为2个，形成两压簧式点阵结构。

9.根据权利要求6或7所述的点阵结构，其特征在于，弧形支撑杆的数量为4个，螺旋状连杆的数量为4个，形成四压簧式点阵结构。

10.一种制备权利要求1-9任一项所述的点阵结构的方法，其特征在于，采用3D打印的方法制备。

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