[发明专利]一种改进kagome微桁架点阵夹芯结构及其计算方法

说明书

一种改进kagome微桁架点阵夹芯结构及其计算方法，包括若干空间微桁架点阵单元和两块金属面板，两块金属面板上下平行设置，若干空间微桁架点阵单元呈周期排列在两块金属面板之间，顶面和底面分别与两块金属面板连接；空间微桁架点阵单元包括两个子单元，两个子单元呈中心对称分布，每个子单元包括三根变截面杆，六根变截面杆直径大的一端作为起始端相互固连在同一节点上，直径小的另一端为末端。本发明针对常用的微桁架点阵夹芯结构类型kagome单元进行了改进，对杆径进行和应力相匹配的设计，其数值由所受应力条件决定。改进的结构和原来的结构在质量相同的情况下，具有更高的比刚度和比强度，单位质量的承载能力更强。

技术领域

本发明属于金属微桁架点阵夹芯结构领域，具体涉及一种改进kagome微桁架点阵夹芯结构及其计算方法。

背景技术

随着制造技术发展，对产品轻量化、高强度、个性化定制等需求越来越高。金属周期微桁架点阵结构作为一种近年来发展起来的新型轻质多功能结构，具有良好的力学性能，可用于制造高超音速飞行器蒙皮和发动机组件等飞行器零部件，代表了结构材料发展的方向。微桁架点阵夹芯结构一般是将刚性外壳连结于轻质芯体之上构成，以其整体刚度大、面板强度高、芯子密度小和良好的抗弯性能，常用于结构轻型化设计中。

在各种微桁架单元结构中，Kagome型结构相对于四面体型、金字塔型等其他结构具有更高的强度和抗屈曲性能，在受剪切作用时，表现出更好的各向同性。

郑华勇在《3D-Kagome点阵夹芯板的力学性能研究》一文中，对kagome微桁架点阵夹芯结构进行了压缩测试，发现由于应力集中，节点处率先进入塑性破坏状态，此时杆件边缘结构尚未破坏，该状况降低了整体结构的承载效率。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种改进kagome微桁架点阵夹芯结构及其计算方法，根据应力分布对桁架单元造型进行优化，解决了节点处应力集中问题，在同等质量情况下提高了结构的承载能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种改进kagome微桁架点阵夹芯结构，其特征在于，包括若干空间微桁架点阵单元和两块金属面板，两块金属面板上下平行设置，若干空间微桁架点阵单元呈周期排列在两块金属面板之间，顶面和底面分别与两块金属面板连接；所述空间微桁架点阵单元包括两个子单元，两个子单元呈中心对称分布，每个子单元包括三根变截面杆，六根变截面杆直径大的一端作为起始端相互固连在同一节点上，直径小的另一端为末端。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，同一个子单元上的三根变截面杆的末端点连线呈等边三角形。

进一步地，所述变截面杆的横截面为圆形，从起始端向末端方向杆径逐渐变小。

进一步地，所述变截面杆上任一一点，其直径其中a、b为常数，由杆件外形参数和受力情况决定；x为该点到变截面杆末端的距离。

进一步地，所述变截面杆的直径计算公式中，a＝4Fsinθ/π[σ]，b＝32Fxcosθ/π[σ]，其中F为空间微桁架点阵单元中每根变截面杆在末端所受竖直向下压力，θ为变截面杆与水平面的夹角，[σ]为变截面杆许用正应力。

并且，还提出了一种如上所述的改进kagome微桁架点阵夹芯结构的变截面杆直径计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

设每根杆件在末端受到竖直向下的压力为F，杆件与水平方向夹角为θ，则杆件轴向力为Fsinθ，距杆件末端距离为x的部位所受弯矩为Fxcosθ；当杆件细长比＞5时，符合细长梁假设，考虑正应力校核，则在杆件某截面处：

A为杆件某处横截面积，M为该处截面所受弯矩；W为杆件抗弯截面系数，[σ]为杆件许用正应力；