[發明專利]基于可編程剛度的手性胞元構建的梯度點陣吸能結構及其3D打印方法

有效

• 申請號: 202010890835.4
• 申請日: 2020-08-29
• 公開（公告）號: CN112356523B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發明（設計）人: 顧冬冬;高捷;馬成龍;宋英杰;陳威
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B32B3/20
• 分類號: B32B3/20;B32B3/14;B32B15/01;B22F3/105;B33Y10/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 彭英

本發明公開了一種梯度點陣吸能結構及其可編程剛度的手性胞元、3D打印方法。手性胞元包括胞元結構，胞元結構包括上環、中環、下環、上部連接桿、下部連接桿；上環、下環具有相同的幾何形狀，中環位于上環、下環之間；上部連接桿具有若干根；各上部連接桿的兩端分別與上環、中環對應連接并傾斜地均勻分布在上環、中環之間，下部連接桿具有若干根；各下部連接桿的兩端分別與下環、中環對應連接并傾斜地均勻分布在下環、中環之間。因此，本發明所述胞元結構具有軸向受壓扭轉的變形行為，在壓縮過程中，表現出零泊松比特性，即在壓縮過程中，胞元整體結構不向外膨脹，因此，所述胞元本身具有較高平臺應力，有良好的抗沖擊性能。

技術領域

本發明涉及一種可編程剛度的手性胞元，用于構成點陣結構。

本發明還涉及一種梯度點陣吸能結構，尤其是一種基于可編程剛度手性胞元的梯度點陣吸能結構。

本發明還涉及一種用于成型上述梯度點陣吸能結構的3D打印方法。

背景技術

點陣結構具有輕質、比剛度高、比強度高、吸聲隔熱等優良特性，被越來越多地應用在在汽車、船舶、航空航天等領域。功能梯度點陣結構（Functionally graded latticestructure）是對點陣結構的一種針對于抗沖擊應用的結構優化設計，在軸向沖擊下，功能梯度點陣結構具有由低強度層到高強度層逐級失效，在相同質量情況下相較于均勻點陣結構（Uniform lattice structure）能夠吸收更多的能量。現有的緩沖吸能梯度點陣結構，一般通過兩種方法實現性能梯度設計：

一種方法是調整點陣胞元的桿件直徑，即保持每個點陣胞元的外形尺寸不變，僅改變每個胞元的桿件直徑，以此實現點陣結構性能的梯度設計，如已公開的中國專利CN107498948A。然而，由于尺寸效應的存在，同等載荷情況下，不同單胞尺寸的點陣結構所表現出來的力學行為并不相同；因此，需要在改變點陣單胞桿件截面尺寸的同時，考慮點陣單胞尺寸對結構整體性能的影響。

另一種方法是調控點陣胞元整體尺寸，即改變每個點陣胞元的整體尺寸，通過過渡層設計，從而實現大點陣胞元與小點陣胞元之間的過渡，最終實現點陣結構的梯度設計，如已公開的發明專利CN109163212A。然而，由于大胞元和小胞元尺寸存在差別，在胞元交界處易產生應力集中現象，因此，應考慮不改變胞元間連接處尺寸的情況下，提高胞元的力學性能，以實現結構性能的梯度設計。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供一種可編程剛度的手性胞元，該手性胞元具有良好的抗沖擊性能，并在軸向壓縮時能夠產生扭轉變形，同時，手性胞元本身具有零泊松比特性，即在壓縮過程中，手性胞元整體結構不向外膨脹。使得手性胞元結構在壓縮過程中具有較高的平臺應力，具有良好的吸能抗沖擊的性能。

為實現上述的技術目的，本發明將采取如下的技術方案：

一種可編程剛度的手性胞元，包括胞元結構，該胞元結構包括上環、中環、連接桿、下環，連接桿包括上部連接桿、下部連接桿；其中：

所述的上環、下環具有相同的幾何形狀，中環位于上環、下環之間，且上環、中環、下環的軸線均與胞元結構的中軸線重合；

所述的上部連接桿，具有若干根；各上部連接桿的兩端分別與上環、中環對應連接并傾斜地均勻分布在上環、中環之間，且各上部連接桿均相對于胞元結構的中軸線異面設置，同時各上部連接桿均與胞元結構的中軸線形成夾角?；

所述的下部連接桿，具有若干根；各下部連接桿的兩端分別與下環、中環對應連接并傾斜地均勻分布在下環、中環之間，且各下部連接桿均相對于胞元結構的中軸線異面設置，同時各下部連接桿均與胞元結構的中軸線形成夾角-?。

進一步地，所述上部連接桿的數量與下部連接桿的數量、尺寸一致，且每一根上部連接桿與中環的連接位點均處于相鄰的兩根下部連接桿與中環的連接位點之間。

進一步地，上環、下環的幾何形狀為圓環。