CN205203350U - 一种抗压微桁架夹层结构 - Google Patents

Abstract

一种抗压微桁架夹层结构，涉及飞机结构设计技术领域，包括两层面板以及之间的梁式矩阵结构，梁式矩阵结构由多个相互连接的单胞构成；每个单胞为由多个等长的竖直杆、多个等长的斜杆以及多个等长的水平杆连接构成正八面体结构；斜杆为构成单胞的正八面体结构的杆结构；竖直杆垂直于十字架结构所属平面并与斜杆的中点位置相交。本实用新型提供的抗压微桁架夹层结构结构简单，制造方便，装置稳定性高，安全可靠，为多功能类桁架夹层结构的设计提供了备选方案，尤其适用于承受面外法向压缩载荷，单胞承受力均匀，在承载方向上进行叠加，可承受各个方向的载荷，具有较强的承载能力和力学可设计性；稳定性较好，具有良好的适应性，不损失其力学特性。

Description

一种抗压微桁架夹层结构

技术领域

本实用新型涉及飞机结构设计技术领域，具体而言，涉及一种抗压微桁架夹层结构。

背景技术

微桁架夹层结构一般由上下两层面板和中间的梁式矩阵结构组成，上下两层面板起到分散载荷的作用，主要载荷由中间的梁式矩阵结构承受。梁式矩阵结构的单胞是一种由直杆组成的具有三角形单元的平面或空间结构，主要由杆件承受轴向拉力或者压力，从而充分利用材料的强度，起到节省材料，减轻自重和增大刚度的作用。

微桁架夹层结构一般承受垂直于面板的载荷效率较高，然而缺点也很明显。当施加不垂直于面板的载荷，或者施加不均匀的载荷，局部杆件承受较大载荷，会导致局部杆件不承载，另一部分杆件总体失稳，从而大大损伤微桁架夹层结构的整体承载能力。

随着3D打印技术日益完善，微桁架夹层结构作为一种多功能一体化轻质结构具有优良的面内、面外力学性能、良好的导热散热性能和较强的可设计性，近年来受到了广泛关注。而何种微桁架拓扑布置方案最适合何种多功能设计的具体要求成为研究的热点问题。

现在亟需解决的技术问题是如何设计一种微桁架夹层结构，以弥补上述现有技术中存在的技术上的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述现有技术中的不足，提供一种结构简单合理、具有优良的面内、面外力学性能、良好的导热散热性能和较强的可设计性的抗压微桁架夹层结构。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：一种抗压微桁架夹层结构，包括两层面板以及位于两层面板之间的梁式矩阵结构，梁式矩阵结构由多个相互连接的单胞构成；每个单胞为由多个等长的竖直杆、斜杆以及水平杆连接构成正八面体结构；每个单胞中的一个顶点通过水平杆连接异于一个相邻的顶点，与上述一个顶点相邻的第二顶点通过水平杆连接异于上述第二顶点相邻的顶点，两水平杆相交构成十字架结构；斜杆为构成单胞的正八面体结构的杆结构；竖直杆垂直于十字架结构所属平面并与斜杆的中点位置相交。

上述方案中优选的是，梁式矩阵结构中每两个相邻的单胞通过共用斜杆实现单胞之间的连接，通过单胞的连接实现空间的梁式矩阵结构。

上述任一方案中优选的是，构成单胞的斜杆长度相等，定义：竖直杆的长度为b，斜杆的长度为a，其中，这样设计的单胞方便单胞之间的相互连接，并且将单胞设计为正多面体的结构，使结构受力更稳定。

上述任一方案中优选的是，竖直杆垂直于面板。不仅上述斜杆构成的正多面体结构受力，竖直杆与板面垂直，同样可以分担面板给予梁式矩阵结构的载荷。

上述任一方案中优选的是，十字架结构所属平面与面板所属平面互相平行。这样就限定了梁式矩阵结构与面板连接处为单胞的顶点，单胞顶点之间设置有空隙，保障即使不是平板结构的面板同样可以达到同样的加载效果。

上述任一方案中优选的是，单胞以增材制造技术制造而成。

本实用新型所提供的抗压微桁架夹层结构的有益效果在于，结构简单，制造方便，装置稳定性高，安全可靠，为多功能类桁架夹层结构的设计提供了备选方案，尤其适用于承受面外法向压缩载荷的情况，单胞能承受的力都是均匀的，因此在承载方向上进行叠加，可承受各个方向的载荷，具有较强的承载能力和力学可设计性；稳定性较好，不容易变形，因此配合异形面板，具有良好的适应性，而不损失其力学特性。

附图说明

图1是按照本实用新型的抗压微桁架夹层结构的一优选实施例的结构示意图，其中，构成梁式矩阵结构的单胞为两个；

图2是按照本实用新型的抗压微桁架夹层结构的图1所示实施例的单胞的结构示意图；

图3是按照本实用新型的抗压微桁架夹层结构的图2所示单胞结构的俯视示意图；

图4是按照本实用新型的抗压微桁架夹层结构的图2所示单胞结构的侧视示意图；

图5是按照本实用新型的抗压微桁架夹层结构的梁式矩阵结构的结构示意图，其中，构成梁式矩阵结构的单胞数量为四个；

附图标记：

1-梁式矩阵结构、2-单胞、3-竖直杆、4-斜杆、5-水平杆、6-面板。

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

如图1-5所示，本实用新型提供的抗压微桁架夹层结构，包括两层面板6以及位于两层面板6之间的梁式矩阵结构1，梁式矩阵结构1由多个相互连接的单胞2构成；每个单胞2为由多个等长的竖直杆3、多个等长的斜杆4以及多个等长的水平杆5连接构成正八面体结构；每个单胞2中的一个顶点通过水平杆5连接异于上述一个相邻的顶点，与上述一个顶点相邻的第二顶点通过水平杆5连接异于上述第二顶点相邻的顶点，两水平杆5相交构成十字架结构；斜杆4为构成单胞2的正八面体结构的杆结构；竖直杆3垂直于十字架结构所属平面并与斜杆4的中点位置相交。

上述本实用新型提供的抗压微桁架夹层结构的梁式矩阵结构1中每两个相邻的单胞2通过共用斜杆4实现单胞2之间的连接。通过单胞之间的连接可将梁式矩阵结构1设计为直线型、折线形，通过直线型或者折线形的梁式矩阵结构1的组合，还可以将梁式矩阵结构构造成为片型或者空间立体结构。

定义：竖直杆3的长度为b，斜杆4的长度为a，其中，本领域技术人员可以理解的是，正八面体机构的边等长，所以任意不相邻的两定点之间的连线均为以斜杆4为直边的直角三角形的斜边长度，与水平杆5的长度相等。竖直杆3垂直于所述面板6，上述十字架结构所属平面与面板6所属平面互相平行。

在具体的生产使用本实用新型提供的抗压微桁架夹层结构过程中，单胞2以增材制造技术制造而成。通过梁式矩阵结构1的设计需求，同样以单胞2为生产单位以增材制造技术生产梁式矩阵结构1，保障结构整体的完整性、稳定性。

以下通过实验数据对本实用新型提供的抗压微桁架夹层结构进行进一步说明。单胞结构中可设计参数为：水平杆5的长度L1，竖直杆3的长度L2，水平杆5的直径D1，竖直杆3的直径D2，斜杆4的直径D3，竖直杆3经过斜杆4的中心点，斜杆4的两侧端点与竖直杆3两侧端点分别在两个相互平行的平面上，且以水平杆5所在平面为中心对称分布。

采用相同材料时利用本实用新型的类桁架夹层结构与Kagome布局的夹层板进行平压算例比对，由试验对比结果可知，在承担相同平压载荷1N/mm²时，本实用新型的类桁架夹层结构承载能力在密度相对偏小的情况下承载能力较常见Kagome布局的夹层板高约75％。表1为对比试验数据。

表1

构型	夹层板密度(kg/mm3)	一阶失稳系数
			本实用新型夹层板	3.68E-07	3.6
Kagome夹层板	3.75E-07	2.03

本实用新型提供的抗压微桁架夹层结构的优点在于，结构简单，制造方便，装置稳定性高，安全可靠，为多功能类桁架夹层结构的设计提供了备选方案，尤其适用于承受面外法向压缩载荷的情况，单胞能承受的力都是均匀的，因此在承载方向上进行叠加，可承受各个方向的载荷，具有较强的承载能力和力学可设计性；稳定性较好，不容易变形，因此配合异形面板，具有良好的适应性，而不损失其力学特性。

以上结合本实用新型的抗压微桁架夹层结构具体实施例做了详细描述，但并非是对本实用新型的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改均属于本实用新型的技术范围，还需要说明的是，按照本实用新型的抗压微桁架夹层结构技术方案的范畴包括上述各部分之间的任意组合。

Claims (6)

1.一种抗压微桁架夹层结构，其特征在于，所述抗压微桁架夹层结构包括两层面板(6)以及位于两层面板(6)之间的梁式矩阵结构(1)，所述梁式矩阵结构(1)由多个相互连接的单胞(2)构成；

每个单胞(2)为由多个等长的竖直杆(3)、多个等长的斜杆(4)以及多个等长的水平杆(5)连接构成正八面体结构；

每个单胞(2)中的一个顶点通过水平杆(5)连接异于所述一个相邻的顶点，与所述一个顶点相邻的第二顶点通过水平杆(5)连接异于所述第二顶点相邻的顶点，两水平杆(5)相交构成十字架结构；

斜杆(4)为构成单胞(2)的正八面体结构的杆结构；

竖直杆(3)垂直于所述十字架结构所属平面并与所述斜杆(4)的中点位置相交。

2.如权利要求1所述的抗压微桁架夹层结构，其特征在于，所述梁式矩阵结构(1)中每两个相邻的所述单胞(2)通过共用所述斜杆(4)实现所述单胞(2)之间的连接。

3.如权利要求1所述的抗压微桁架夹层结构，其特征在于，定义：所述竖直杆(3)的长度为b，所述斜杆(4)的长度为a，其中， $b=\sqrt{2}\×a.$

4.如权利要求1或2所述的抗压微桁架夹层结构，其特征在于，所述竖直杆(3)垂直于所述面板(6)。

5.如权利要求1所述的抗压微桁架夹层结构，其特征在于，所述十字架结构所属平面与所述面板(6)所属平面互相平行。

6.如权利要求1所述的抗压微桁架夹层结构，其特征在于，所述单胞(2)以增材制造技术制造而成。