CN220101875U - 一种增强型三维点阵结构 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种增强型三维点阵结构，在三维空间内呈周期性规律排列且相互连接的多个点阵单胞，点阵单胞包括若干杆件、至少一个交汇节点和至少一个端面点；所述杆件之间相互连接并交汇于所述交汇节点，所述杆件远离所述交汇节点的一端与端面点连接，且杆件与端面点连接的端部设有应力承载结构。应力承载结构增加了对外力的承载能力，减少端部位置的应力集中，本申请的增强型三维点阵结构的设计思路简单，通用性强，适用于绝大多数点阵结构，具有较大的推广潜力。
Description
技术领域
本申请涉及材料结构领域，特别是一种增强型三维点阵结构。
背景技术
当前，随着我国航天、车辆的迅速发展，轻量化设计需求日趋强烈。在保证性能和安全的前提下，轻量化设计可以有效节省燃料，是提高行程的有效途径。点阵结构由周期性规律单胞组成，具有高比强度、比刚度、低相对密度以及一些特殊功能性(如阻尼减震、能量冲击吸收)。将点阵结构应用到航空航天、汽车等领域，有着巨大的潜力。
对于点阵结构的应用场景来说，其端部的应力通常较大，应力集中，且结构强度不够大，然而，现有的加强的点阵结构构型为了提高结构的力学性能，结构设计复杂，不利于轻量化目标，通用性较差。
实用新型内容
鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分地解决所述问题的一种增强型三维点阵结构，包括：
一种增强型三维点阵结构，包括在三维空间内呈周期性规律排列且相互连接的多个点阵单胞，所述点阵单胞包括若干杆件、至少一个交汇节点和至少一个端面点；
所述杆件之间相互连接并交汇于所述交汇节点，所述杆件远离所述交汇节点的一端与所述端面点连接，且所述杆件与所述端面点连接的端部设有应力承载结构。
优选地，还包括第一加强杆，所述第一加强杆与相邻两个所述点阵单胞的交汇节点连接。
优选地，还包括板件，所述板件与所述点阵单胞连接。
优选地，还包括第二加强杆，所述第二加强杆的一端与所述点阵单胞的交汇节点连接、另一端与所述板件连接。
优选地，相邻两个所述点阵单胞的应力承载结构相互连接。
优选地，所述第一加强杆的杆径为R1/(2-R1)；其中，R1为所述第一加强杆的直径。
优选地，所述第二加强杆的杆径为R2/(2-R2)；其中，R2为所述第二加强杆的直径。
优选地，所述应力承载结构的曲率半径ρ为(R3/10)-(R3/2)；其中，R3为所述杆件的直径。
本申请具有以下优点：
在本申请的实施例中，相对于现有技术中现有的加强的点阵结构设计复杂，通用性差的问题，本申请提供了在杆件端部设计应力承载结构以及设计加强杆的解决方案，具体为：包括在三维空间内呈周期性规律排列且相互连接的多个点阵单胞，所述点阵单胞包括若干杆件、至少一个交汇节点和至少一个端面点；所述杆件之间相互连接并交汇于所述交汇节点，所述杆件远离所述交汇节点的一端与所述端面点连接，且所述杆件与所述端面点连接的端部设有应力承载结构。杆件端部的应力承载结构增加了对外力的承载能力，减少了端部位置的应力集中，相比于其它加强的点阵结构构型，本申请的增强型三维点阵结构的设计思路简单，通用性强，适用于绝大多数点阵结构，具有较大的推广潜力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提供的点阵单胞的结构示意图；
图2是本申请一实施例提供的一种增强型三维点阵结构的第一结构示意图；
图3是本申请一实施例提供的点阵单胞和点阵单胞连接的结构示意图；
图4是本申请一实施例提供的点阵单胞和点阵单胞连接的结构示意图；
图5是本申请一实施例提供的一种增强型三维点阵结构的第二结构示意图；
图6是本申请一实施例提供的点阵单胞和第二加强杆连接的结构示意图；
图7是本申请一实施例提供的点阵单胞和板件连接的结构示意图；
图8是本申请一实施例提供的杆件的端部设置了应力承载结构和未设置应力承载结构的强度对比示意图；
图9是本申请一实施例提供的设置了第二加强杆和未设置第二加强杆的强度对比示意图。
具体实施方式
为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
参照图1-图9，示出了本申请实施例提供的一种增强型三维点阵结构，包括在三维空间内呈周期性规律排列且相互连接的多个点阵单胞，所述点阵单胞包括若干杆件、至少一个交汇节点和至少一个端面点；
所述杆件之间相互连接并交汇于所述交汇节点，所述杆件远离所述交汇节点的一端与所述端面点连接，且所述杆件与所述端面点连接的端部设有应力承载结构。
在本申请的实施例中，相对于现有技术中现有的加强的点阵结构设计复杂，通用性差的问题，本申请提供了在杆件端部设计应力承载结构以及设计加强杆的解决方案，具体为：包括在三维空间内呈周期性规律排列且相互连接的多个点阵单胞，所述点阵单胞包括若干杆件、至少一个交汇节点和至少一个端面点；所述杆件之间相互连接并交汇于所述交汇节点，所述杆件远离所述交汇节点的一端与所述端面点连接，且所述杆件与所述端面点连接的端部设有应力承载结构。杆件端部的应力承载结构增加了对外力的承载能力，减少了端部位置的应力集中，相比于其它加强的点阵结构构型，本申请的增强型三维点阵结构的设计思路简单，通用性强，适用于绝大多数点阵结构，具有较大的推广潜力。
下面，将对本申请各示例性实施例中的一种增强型三维点阵结构作进一步的说明。
需要说明的是，增强型三维点阵结构包括在三维空间内多个呈周期性规律排列相互连接的点阵单胞，点阵单胞包括在空间分布的多个相互连接的杆件，杆件端部为应力承载结构，点阵单胞和点阵单胞之间可通过杆件进行连接，点阵单胞可与板件进行连接。
所述点阵单胞包括若干杆件、至少一个交汇节点和至少一个端面点，点阵结构的杆件通常在单胞中进行交汇，根据点阵结构的构型不同，交汇节点可有一个或者多个，所述交汇节点设置在杆件的交汇位置，多个交汇点就会有多个节点，保证多个杆件之间的连接强度；设置在杆件端部的应力承载结构的横截面为圆弧形，如图4所示，四个圆弧形的应力承载结构形成四叶花瓣状，所述应力承载结构增加了三维点阵结构对外力的承载能力，减少了端部位置的应力集中，而对于点阵结构的应用场景来说，端部的应力通常较大，减小此处的应力集中有利于提高结构的强度。
在一具体实现中，参照图2，示出了包含一个交汇节点的三维点阵结构示意图，该三维点阵结构包括在三维空间内呈周期性规律排列且相互连接的多个如图1所示的点阵单胞，当所述点阵单胞包括一个所述交汇节点时，所述交汇节点优选设于体心，若干所述杆件的一端交汇于体心节点、另一端的端部则为应力承载结构，且所述交汇节点与所述杆体形成的空间布局为六面体结构。需要说明的是，交汇节点的个数是与杆体有关的，杆件相交汇处即节点的个数，杆体的空间构型不局限于六面体布局，当杆体的数量增多时，整体构型就不再是六面体结构了。
在另一具体实现中，当所述点阵单胞包括两个及以上所述交汇节点时，必须保证在应力集中的地方有加强的(或者说是额外的)杆件。
在本申请一实施例中，还包括第一加强杆，所述第一加强杆与相邻两个所述点阵单胞的交汇节点连接。
需要说明的是，对于点阵单胞和点阵单胞的连接，通常在交汇点处引申出合适的杆件，此杆件作为加强杆，所述点阵单胞之间设置加强杆件进行连接，根据点阵结构的应用场景，点阵单胞之间相互连接的位置容易出现应力集中，单胞和单胞之间通过杆件进行加强可以类似于加强筋的作用，提高结构强度，避免应力集中。
作为一种示例，参照图3和图4，为点阵单胞之间通过第一加强杆连接的结构示意图，相邻两个点阵单胞之间的加强杆是交汇点之间的连接，图5为设置了第一加强杆的点阵单胞呈周期性规律排列的增强型三维点阵结构示意图。
当所述点阵单胞只有一个所述交汇节点时，x、y、z方向阵列单胞在交汇点处延申出六个加强杆和其它单胞连接，相邻两个所述点阵单胞的交汇节点与延申出的第一加强杆连接。
当所述点阵单胞包括两个及以上所述交汇节点时，通过分析点阵单胞中交汇节点的力学性能，在较为脆弱的交汇节点处引申出第一加强杆进行单胞之间的连接。
在一具体实现中，点阵结构的杆件通常在所述点阵单胞中进行交汇，根据点阵结构的构型不同，交汇点可有一个或者多个，例如图4所示的杆件交汇于体心，对于点阵单胞和点阵单胞的连接，通常在交汇点处引申出合适的杆件，此杆件作为第一加强杆，杆径通常为R1/(2-R1)；其中，R1为所述第一加强杆的直径。
在本申请一实施例中，还包括板件，所述板件与所述点阵单胞连接。
需要说明的是，所述点阵单胞除了与所述点阵单胞之间可以进行连接外，所述点阵单胞还可以与板件进行连接。
作为一种示例，所述点阵单胞和所述板件可以通过选择性激光融化工艺进行连接，或者通过机械加工方式进行连接，可选方式多样。
在本申请一实施例中，还包括第二加强杆，所述第二加强杆的一端与所述点阵单胞的交汇节点连接、另一端与所述板件连接。
需要说明的是，所述点阵单胞与所述板件之间进行连接时，同样在所述点阵单胞结构的杆件的交汇节点处引申出合适的杆件与板件进行连接，此杆件作为第二加强杆，点阵单胞与板件进行连接的位置容易出现应力集中，单胞和板件之间通过杆件进行加强可以类似于加强筋的作用，提高结构强度，避免应力集中。
在一具体实现中，参照图6，为点阵单胞设置第二加强杆的结构示意图，图7为设置了第二加强杆的点阵单胞呈周期性规律排列的增强型三维点阵结构示意图。对于点阵单胞和板件的连接，通常在交汇点处引申出合适的杆件，如图6所示，为第二加强杆的示意图，此杆件作为第二加强杆，杆径为R2/(2-R2)；其中，R2为所述第二加强杆的直径。如图9所示，为点阵单胞与板件设置了第二加强杆连接时(plate)和未设置第二加强杆的强度对比示意图，可以看出，设置了第二加强杆的点阵结构的强度大于没有设置加强杆的点阵结构的强度。
在本申请一实施例中，相邻两个所述点阵单胞的应力承载结构相互连接。
需要说明的是，相邻两个所述点阵单胞通过第一加强件连接，且他们杆件相邻的应力承载结构也相互连接，使得所述三维点阵结构的强度增强。
在本申请一实施例中，所述应力承载结构的曲率半径ρ为(R3/10)-(R3/2)，其中R3为所述杆件的直径。
需要说明的是，所述点阵结构的杆件端部为应力承载结构，此单胞在三维空间内周期性规律排列并相互连接，端部应力承载结构的曲率半径ρ通常为(R3/10)-(R3/2)，其中R3为所述杆件的直径。
在一具体实现中，如图8所示，为杆件的端部设置了应力承载结构(cell)和未设置应力承载结构的强度对比示意图，可以看出，设置了应力承载结构的杆件的强度大于没有设置应力承载结构的杆件的强度。
一种增强型三维点阵结构的制作工艺：
根据实际整体结构需要确定点阵结构的单胞构型；计算整体结构的应力集中位置，确定应力集中点的应力大小与材料的许用应力之间的关系；根据应力集中点的应力大小与材料的许用应力之间的差值关系，确定单胞杆件端部的曲率大小，经过优选后，保证结构各位置应力小于材料的许用应力；如杆件端部的曲率大小的变化不足以提高结构的强度，可以考虑在增加其它位置的加强杆件对点阵结构进行加强，计算确定结构的强度符合要求；确定好上述单胞的结构后，确定加工工艺为机械加工还是激光融化加工，根据加工工艺在单胞相应的地方预留加工所需的圆孔或其它必要结构形式，最后完成加工。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的一种增强型三维点阵结构，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (5)
1.一种增强型三维点阵结构，其特征在于，包括在三维空间内呈周期性规律排列且相互连接的多个点阵单胞，所述点阵单胞包括若干杆件、至少一个交汇节点和至少一个端面点；
所述杆件之间相互连接并交汇于所述交汇节点，所述杆件远离所述交汇节点的一端与所述端面点连接，且所述杆件与所述端面点连接的端部设有应力承载结构，所述应力承载结构的横截面为圆弧形，圆弧形结构应用与杆件和板件的连接，疏散整个结构在此端点位置的载荷，起到减小应力集中的作用；
所述增强型三维点阵结构还包括第一加强杆、第二加强杆和板件；所述板件与所述点阵单胞连接，所述第一加强杆与相邻两个所述点阵单胞的交汇节点连接，所述第二加强杆的一端与所述点阵单胞的交汇节点连接、另一端与所述板件连接，杆件用于点阵单胞之间的连接，填充了点阵单胞之间的空白，避免了单胞之间连接位置在载荷作用的破坏，提高了整体结构的强度。
2.根据权利要求1所述的增强型三维点阵结构，其特征在于，相邻两个所述点阵单胞的应力承载结构相互连接。
3.根据权利要求1所述的增强型三维点阵结构，其特征在于，所述第一加强杆的杆径为R1/(2-R1)；其中，R1为所述第一加强杆的直径。
4.根据权利要求1所述的增强型三维点阵结构，其特征在于，所述第二加强杆的杆径为R2/(2-R2)；其中，R2为所述第二加强杆的直径。
5.根据权利要求1所述的增强型三维点阵结构，其特征在于，所述应力承载结构的曲率半径ρ为(R3/10)-(R3/2)；其中，R3为所述杆件的直径。
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