CN114888302B - 压致扭转仿石墨烯点阵结构及其3d打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压致扭转仿石墨烯点阵结构及其3D打印方法，适用于航天轻量化点阵填充，点阵结构包括多层环状结构以及中间连接杆，所述的环状结构由多边形组成，自上而下各相邻层具有相同构型，且各自上而下相邻层之间具有相同的沿中心轴线顺时针方向的扭转角度，相邻层间的对应定点由倾斜杆连接。本发明的压致扭转仿石墨烯点阵结构，具有较高平台应力，大幅提高了结构的能量吸收和承载能力。通过金属3D打印方法成形的压致扭转仿石墨烯点阵结构具有良好的成形性及尺寸精度。

Description

压致扭转仿石墨烯点阵结构及其3D打印方法

技术领域

本发明涉及轻量化点阵填充技术领域，具体是一种压致扭转仿石墨烯点阵结构及其3D打印方法，适用于航天轻量化点阵填充。

背景技术

未来航天飞行器运载能力的提升对其内部承载构件的整体重量及力学特性提出了严苛要求，一方面未来航天飞行器整体重量的降低需要构件轻量化设计的支持，以增加飞行器的燃料装填量和飞行运载能力；另一方面，未来航天飞行器运行过程中特殊的服役环境对构件的承载能力提出了严苛的要求，需要构件能够适应升空过程中产生的巨大压力和飞行过程中可能受到的外部载荷。因此，为了有效减少构件的整体重量并提高其承载能力，设计研制具有轻量化特点并能够适应极端复杂环境的构件具有极大的现实意义。

点阵结构具有轻质、比刚度高、比强度高、吸声隔热等优良特性，被越来越多地应用在在汽车、船舶、航空航天等领域。在设计轻质晶格结构的同时，超材料逐渐成为了令人关注的焦点。力学超材料具有与直觉相反的机械性能如超硬度，可调谐刚度，消失剪切模量，负可压缩，负泊松比和负热膨胀等。“压致扭转”结构作为独特的超材料，当结构在某个方向上拉伸或压缩时，它将在该方向上引起扭转变形，从而实现能量耗散。但已有的扭转点阵结构所采用的曲杆或回旋结构难以保持结构在加载条件下的刚度需求，且难以保证较大的应力平台。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种适用于航天轻量化点阵填充的压致扭转仿石墨烯点阵结构，该结构可实现在受压缩应力条件下发生扭转变形，具有较高平台应力，大幅提高了结构的能量吸收和承载能力。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种压致扭转仿石墨烯点阵结构，包括多层环状结构以及中间连接杆，其中：

所述环状结构由多边形组成，自上而下各相邻层具有相同构型，且各自上而下相邻层之间具有相同的沿中心轴线顺时针方向的扭转角度θ，相邻层沿中心轴线的方向间隔相同的距离；所述的若干根中间连接杆分别连接多层环状多边形结构扭转前沿中轴线方向对应顶点并倾斜地分布在两环之间，且各连接杆均相对于多层环状结构的中轴线异面设置。

进一步地，所述环状结构由多个多边形在二维平面上紧密相连组成，组成环状结构中各杆的尺寸一致，且多边形的数量是可变的。所述中间连接杆尺寸与组成环状结构中的杆尺寸一致，中间连接杆连接扭转前多层环状结构沿中轴线方向对应各顶点。

进一步地，所述环状结构具有一定的层数，可设置为2~16层。多层环状结构中各层具有相同的几何形状，各层组成环状结构的杆尺寸一致。

本发明的另一个技术目的是提供一种压致扭转仿石墨烯点阵结构的3D打印方法，采用激光粉末床熔融技术实现上述压致扭转仿石墨烯点阵结构的近净成形，原材料采用预合金不锈钢粉末，粉末平均粒径为27 μm，采用的激光功率为200 W，扫描速度为1500 mm/s，扫描间距为50 μm。

本发明有益效果在于：

1、本发明所述压致扭转仿石墨烯点阵结构在受压缩应力条件下能够通过扭转变形实现能量耗散，且结构整体在压缩运动过程中表现为低泊松比特性，故所述结构具有很好的承载能力和能量吸收能力。

2、本发明所述压致扭转仿石墨烯点阵结构可通过改变自身组成环状结构的多边形数量和层数调整结构形态和性能，即可根据实际需求改变结构参数来获得具有不同力学性能的结构。

3、本发明所述压致扭转仿石墨烯点阵结构相邻层间的扭转角可调节，能够有效调节压缩应力下杆件的应力分布，同时调控结构的承载能力。

4、进一步考虑压致扭转仿石墨烯点阵结构的3D打印方法，采用平均粒径为27 μm的预合金不锈钢粉末作为原材料，采用的激光功率为200 W，扫描速度为1500 mm/s，扫描间距为50 μm。经一体成形的不锈钢压致扭转仿石墨烯点阵结构成形质量优异，可承受压缩至90%的变形而不发生断裂破坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，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 为本发明层数为5的压致扭转仿石墨烯点阵结构图；

图2 为本发明层数为7的压致扭转仿石墨烯点阵结构图；

图3 为本发明层数为9的压致扭转仿石墨烯点阵结构图；

图4 为本发明层数为11的压致扭转仿石墨烯点阵结构图；

图5 为本发明不同层数压致扭转仿石墨烯点阵结构轴向压缩力-位移曲线图 。

图1至图4中：多边形1；组成多边形的杆2；连接杆3；层间扭转角θ。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1、2、3、4所示，公开了本发明所述的是一种压致扭转仿石墨烯点阵结构的具体实施例。其特征在于，多层沿相同中轴线扭转的环状结构的多边形1，及层间的连接杆3；其中：

本实施例图1、2、3、4中所示的环状结构由多边形组成，多边形半径为5 mm，组成多边形的杆径为0.8 mm。自上而下各相邻层具有相同构型，且各自上而下相邻层之间具有相同的沿中心轴线顺时针方向的扭转角度θ=10°；相邻层沿中心轴线的方向间隔相同的距离；各层组成环状结构的多边形的数量均为19。

本实施例图1、2、3、4中所示的组成扭转结构的层数分别为5、7、9、11层，且每相邻层间由中间连接杆连接。

本实施例图1、2、3、4中所示的中间连接杆3的杆径与组成多边形的杆2的杆径相等，为0.8 mm；各连接杆分别连接多层环状多边形结构扭转前沿中轴线方向对应顶点并倾斜地分布在两环之间，且各连接杆均相对于多层环状结构的中轴线异面设置。

实验结果如下：

如图5所示，本实施例中所述的四种结构均先经历应力线性上升的弹性变形阶段，在经历较长的持续位移，最后应力急剧上升。所示的应力平台处于较高载荷且波动小，表明结构具有良好的能量吸收能力。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种压致扭转仿石墨烯点阵结构，其特征在于：包括多层环状结构以及若干中间连接杆，其中，所述环状结构由多边形组成，自上而下各相邻层具有相同构型，且各自上而下相邻层之间具有相同的沿中心轴线顺时针方向的扭转角度θ，相邻层沿中心轴线的方向间隔相同的距离；所述的若干根中间连接杆分别连接多层环状多边形结构扭转前沿中轴线方向对应顶点并倾斜地分布在两环之间，且各连接杆均相对于多层环状结构的中轴线异面设置。

2.根据权利要求1所述的压致扭转仿石墨烯点阵结构，其特征在于：所述环状结构由多个多边形在二维平面上紧密相连组成，组成环状结构中各杆的尺寸一致。

3.根据权利要求1所述的压致扭转仿石墨烯点阵结构，其特征在于：所述多层环状结构中各层具有相同的几何形状，各层组成环状结构的杆尺寸一致。

4.根据权利要求1所述的压致扭转仿石墨烯点阵结构，其特征在于：所述中间连接杆连接扭转前多层环状结构沿中轴线方向对应各顶点。

5.根据权利要求1或2所述的压致扭转仿石墨烯点阵结构，其特征在于，所述中间连接杆尺寸与组成环状结构中的杆尺寸一致。

6.一种压致扭转仿石墨烯点阵结构的3D打印方法，其特征在于：采用激光粉末床熔融技术实现权利要求1所述压致扭转仿石墨烯点阵结构的近净成形。

7. 根据权利要求6所述的压致扭转仿石墨烯点阵结构的3D打印方法，其特征在于：所述激光粉末床熔融技术采用平均粒径为27 μm的预合金不锈钢粉末作为原材料，采用的激光功率为200 W，扫描速度为1500 mm/s，扫描间距为50 μm。