[發明專利]一種基于高韌性仿生微結構的舵翼設計制作方法

在審

• 申請號: 202210104871.2
• 申請日: 2022-01-28
• 公開（公告）號: CN114528640A
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 戴寧;張天馳;郭策;柏久陽;胡偉葉
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學;南京晨光集團有限責任公司
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06T17/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 陸燁

本發明公開了一種基于高韌性仿生微結構的舵翼設計制作方法，具體為：建立鱟殼芯體結構的力學本構模型；采用初始的三維網絡狀結構等效替代鱟殼中的各向同性多孔芯體，構建仿鱟殼多孔夾芯結構；建立仿生芯體的長徑比與等效彈性模量以及等效剛度之間的數學表征；以長徑比為設計變量，以變形能力和沖擊韌性為優化目標，采用仿真方法分析出最優長徑比范圍，進而設計出最終的三維網絡狀仿生芯體；以仿鱟殼多孔夾芯結構的蒙皮層數為優化目標，設計出多層蒙皮結構，并與三維網絡狀仿生芯體相耦合，構成了高韌性仿生微結構，將高韌性仿生微結構設置成舵翼的形狀，并使用3D打印技術制備出實物。本發明提高了舵翼的沖擊韌性，同時減輕了舵翼的質量。

技術領域

本發明屬于輕質功能結構技術領域。

背景技術

先進輕質結構因其輕質和高承載性能的特點，在航空航天、車輛工程等領域受到了廣泛關注。而天然生物結構中的復雜拓撲結構特征，則是獲取先進輕質結構設計靈感的極佳來源。在諸多生物結構中，動物的防御器官有著極高的抗沖擊性能和能量耗散效率，是典型的輕質高韌性結構。

這些動物防御器官中，普遍存在著一種特殊的結構：其在整體上可視為三明治夾芯結構，由兩側堅硬的密質骨和中心柔軟的多孔芯體結構共同構成。兩側的密質骨可視為相互平行的層片，能夠與中間芯體協同增韌；多孔的芯體則橋接了密質骨，起調節系統剛度、提高變形能力的作用。借助于這種復雜多孔三明治夾芯結構，生物結構具備了超強的耐沖擊性。

此外，目前還沒有人提出如何將鱟殼的這種高韌性結構轉應用于工程領域中，來提高零部件的韌性。同時，由于這種仿生結構具有多層、多孔的復雜微結構特征，采用現有的等材和減術材制造技進行制造時，需將這種具有復雜空間結構拆分為數量繁多的簡單零件后，再進行加工，加工完成后仍需重新裝配，將影響結構的強韌性、輕量化和制造周期；且現有的等材及減材制造技術，在制造復雜的空間微結構時，無法解決加工工藝復雜(甚至無法制造)、成本過高等問題。

發明內容

發明目的：為解決上述現有技術存在的問題，本發明提供了一種基于高韌性仿生微結構的舵翼設計制作方法。

技術方案：本發明提供一種基于高韌性仿生微結構的舵翼設計制作方法，該方法包括如下步驟：

步驟1：根據鱟殼力學本構模型，設計三維網絡狀結構作為仿生芯體，用于等效替代鱟殼中的多孔芯體；

步驟2：采用仿真方法對仿生芯體進行增韌分析和優化設計，得到仿生芯體的最優長徑比范圍；

步驟3：設置頂部蒙皮和底部蒙皮，在頂部和底部蒙皮之間的空隙處再增設蒙皮，將仿生芯體與相鄰兩層蒙皮進行耦合，得到多層級的高韌性仿生微結構；

步驟4：將步驟3的高韌性仿生微結構設置為舵翼的形狀；

步驟5：結合3D打印工藝最終制備出基于高韌性仿生微結構的舵翼。

進一步的，所述步驟1中的鱟殼力學本構模型具體為：

E^*＝c_hE_h(l_h/d_h)^-i’

其中，E^*是鱟殼芯體的楊氏模量，c_h是鱟殼芯體結構的形狀因子，E_h是鱟殼芯體原材料的楊氏模量，l_h是桿長，d_h是桿徑，l_h/d_h是鱟殼芯體的長徑比。

進一步的，所述步驟1采用回歸分析法建立三維網絡狀結構，該回歸分析法建立了仿生芯體的長徑比l/d與等效彈性模量E以及等效剛度K之間的數學模型，該模型代表的仿生芯體與鱟殼結構力學模型的形式一致，該模型具體如下：