CN114633867A - 一种基于极小曲面点阵结构设计的舵机隔振底座及其制造方法 - Google Patents

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孙园喜
胡明金
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Abstract

本发明公开了一种基于极小曲面点阵结构设计的舵机隔振底座，包括片层极小曲面复合点阵结构；所述复合点阵结构包括软相部分和硬相部分；所述硬相部分为由硬质材料制作的片层极小曲面单胞在三维空间内阵列形成的极小曲面点阵结构，所述软相部分为填充于所述极小曲面点阵结构内的软质材料；本发明的底座能够满足隔振功能需求，同兼具防护与减重功能，能够有效降低整体质量，降低结构复杂度，提升航行器运行效率。

Description

一种基于极小曲面点阵结构设计的舵机隔振底座及其制造 方法
技术领域
本发明涉及材料结构技术领域与水下航行器技术领域，具体涉及一种基 于功能点阵材料设计的具备一定隔振能力的舵机底座。该底座基于复合点阵 结构设计，相较于传统金属底座，这种新型底座具有更优的防护与隔振功能。
背景技术
海洋蕴藏着大量自然资源亟待开发，是世界各国军事力量角力的主要领 域，高性能水下航行器的研发有利于增强我国海洋保护力量，提升国家安全 水平。众多性能之中，隐蔽性是水下航行器的生存之本，同时也是水下航行 器生命力和战斗力的根本保证。随着各项高精度监测技术的迅猛发展，水下 航行器生存环境愈发恶劣，控制水下航行器振动，设计出“隐身潜艇”成为 了当前研究的热点。舵机是水下航行器控制系统的重要组成部分，也是潜艇 振动的一个重要来源。降低舵机振动极为关键。
为满足舵机在运行中的抗冲击与防护需求，目前常用多基于金属材料设 计舵机底座，而通过外加隔振器来进行隔振；这种方法存在一定局限：金属 实体底座不符合海洋装备的减重需求；外加部件增加了整体设计与使用的复 杂性；更重要的是，隔振器的体积与质量相较与其他部件是难以忽略，这无 疑给寸土寸金的航行器内增加了负担。
复合材料具有较好的阻尼性能，其固有频率与金属相差明显,能够对艇体 结构振动的传递起到较好的阻断效果,因此采用复合材料将是提升未来潜声 隐身水平的重要途径。此外，相较于其他材料，点阵材料具有较高的比强度， 能够使材料承载效率，同时是多种功能的良好载体，具有减重、隔振等方面 的运用前景。
发明内容
因此，本发明的目的基于当前水下航行器领域舵机隔振的迫切需求，针 对当前隔振方式的缺陷，从先进复合材料与点阵材料的功能特性出发，设计 一种基于复合点阵结构的隔振舵机底座。该底座能够满足隔振功能需求，同 兼具防护与减重功能，能够有效降低整体质量，降低结构复杂度，提升航行 器运行效率。
本发明的基于极小曲面点阵结构设计的舵机隔振底座，包括片层极小曲 面复合点阵结构；所述复合点阵结构包括软相部分和硬相部分；所述硬相部 分为由硬质材料制作的片层极小曲面单胞在三维空间内阵列形成的极小曲面 点阵结构，所述软相部分为填充于所述极小曲面点阵结构内的软质材料。本 发明中，设定硬质材料的硬度高于软质材料。
本发明还公开了一种用于制造所述电动舵机减振底座的方法，包括以下 步骤：
s1.绘制极小曲面；
s2.将绘制出的所述极小曲面进行加厚形成片层状极小曲面结构单胞；
s3.通过布尔运算获得对应所述片层状极小曲面结构单胞的软相部分结 构，将所述片层状极小曲面结构单胞和相应的软相部分按原位置组装获得复 合点阵结构单胞；
s4.将获得的所述复合点阵结构单胞，进行阵列、改变单胞形态和拓扑优 化后，对舵机底座全部或部分位置进行点阵化设计；
s5.选用合适的软质和硬质材料基于3D打印进行一体加工获得所述舵机 减振底座。
进一步，步骤s2中，所述极小曲面为Gyroid极小曲面，其函数表达式 如下：
Figure BDA0003486311200000021
其中，等值面参数t为0，设置周期性参数为0.5π，设置结构大小范围 参数x，y，z均为(-2.5，1.5)。
进一步，步骤s2中，所述极小曲面加厚的厚度为0.15mm。
本发明的有益效果为：
1、本发明的底座采用片层极小曲面复合点阵结构材料设计，片层极小曲 面点阵结构相较于传统杆状点阵结构能够实现良好的应力分布，力学性能较 优，相较于传统实体金属底座设计，新型底座能够实现整体结构的轻量化设 计；
2、本发明的底座的基础材料为软硬复合材料，以硬相为骨架，软相为“血 肉”，能够在兼具承载性能，同时软相也能在冲击时进行内部能量吸收与耗 散，实现冲击防护；
3、本发明的底座基于功能复合材料设计，在点阵结构上进行了软硬复合， 增强了复合材料的隔振性能，能够实现部件隔振，降低了原本隔振方案的复 杂性，同时不存在质量与体积局限性，具有广泛的领域适应性。
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为片层Gyroid极小曲面单胞的示意图；
图2为极小曲面复合点阵结构的示意图；
图3为舵机底座点阵化示意图；
图4为单相点阵结构与复合结构传递率测试对比图。
具体实施方式
本实施例的基于极小曲面点阵结构设计的舵机隔振底座，包括片层极小 曲面复合点阵结构；所述复合点阵结构包括软相部分和硬相部分；所述硬相 部分为由硬质材料制作的片层极小曲面单胞在三维空间内阵列形成的极小曲 面点阵结构，所述软相部分为填充于所述极小曲面点阵结构内的软质材料。 本发明中，设定硬质材料的硬度高于软质材料。
一种用于制造本实施例中电动舵机减振底座的方法，包括以下步骤：
s1.绘制极小曲面；
此处以Gyroid极小曲面设计为例，其函数表达式如下，通过改变相应参 数可实现结构形状的变化：
Figure BDA0003486311200000041
此处设置等值面参数t为0，设置周期性参数为0.5π，设置结构大小范 围参数x，y，z均为(-2.5，1.5)，然后使用Matlab进行曲面绘制，获得三 维极小曲面。
s2.将绘制出的所述极小曲面进行加厚形成片层状极小曲面结构单胞；
使用软件按照曲面进行加厚，使其厚度为0.15mm，由此获得了片层状极 小曲面结构，片层状极小曲面结构如图1所示。
s3.通过布尔运算获得对应所述片层状极小曲面结构单胞的软相部分结 构，将所述片层状极小曲面结构单胞和相应的软相部分按原位置组装获得复 合点阵结构单胞；复合点阵结构单胞如图2所示。
s4.将获得的所述复合点阵结构单胞，进行阵列、改变单胞形态和拓扑优 化后，对舵机底座全部或部分位置进行点阵化设计；其点阵化结果示意图如 图3所示。
s5.选用合适的软质和硬质材料基于3D打印进行一体加工获得所述舵机 减振底座。
本实施例中，完成了复合结构单元的设计与加工，同时也设计了仅为硬 质点阵的结构，并采用传递率测试的方法测试了两类结构的隔振性能，获得 了结构的传递率曲线，实验结果曲线展示在图4中。图4单相点阵结构与复 合结构传递率测试；如图4所示，复合结构(2号)的传递率峰值低于单相 结构(1号)，且其传递曲线在低中频条件下大部分都在单相结构传递率曲 线之下，结果表明复合结构具有一定的隔振能力，且隔振性能相较于单相结 构更优。
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 (4)

1.一种基于极小曲面点阵结构设计的舵机隔振底座，其特征在于：包括片层极小曲面复合点阵结构；所述复合点阵结构包括软相部分和硬相部分；所述硬相部分为由硬质材料制作的片层极小曲面单胞在三维空间内阵列形成的极小曲面点阵结构，所述软相部分为填充于所述极小曲面点阵结构内的软质材料。
2.一种用于制造权利要求1所述的电动舵机减振底座的方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.绘制极小曲面；
s2.将绘制出的所述极小曲面进行加厚形成片层状极小曲面结构单胞；
s3.通过布尔运算获得对应所述片层状极小曲面结构单胞的软相部分结构，将所述片层状极小曲面结构单胞和相应的软相部分按原位置组装获得复合点阵结构单胞；
s4.将获得的所述复合点阵结构单胞，进行阵列、改变单胞形态和拓扑优化后，对舵机底座全部或部分位置进行点阵化设计；
s5.选用合适的软质和硬质材料基于3D打印进行一体加工获得所述舵机减振底座。
3.根据权利要求2所述的制造电动舵机减振底座的方法，其特征在于：步骤s2中，所述极小曲面为Gyroid极小曲面，其函数表达式如下：
Figure FDA0003486311190000011
其中，等值面参数t为0，设置周期性参数为0.5π，设置结构大小范围参数x，y，z均为(-2.5，1.5)。
4.根据权利要求2所述的制造电动舵机减振底座的方法，其特征在于：步骤s2中，所述极小曲面加厚的厚度为0.15mm。
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