[发明专利]一种圆杆化的三维点阵结构

说明书

本发明公开了圆杆化的三维点阵结构，包括在三维空间内周期性规律排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞包括多个空间分布的节点和连接于所述节点之间的半圆/半椭圆杆；本发明将现有技术点阵结构中的直杆转换为椭圆形或圆形杆，从而较大程度地增强了结构的力学性能，且进一步提高了轻量化程度，使得该圆杆化点阵结构在功能性承载与轻量化应用上有着良好的应用价值，并且易于制备实现。

技术领域

本发明涉及材料结构技术领域，尤其涉及一种具有弧形杆的点阵结构，该圆杆化点阵结构具有高承载、轻质、开孔、易于制备等特性，有着优良的力学性能和良好的吸能特性，该优化策略具有广泛适用性。

背景技术

当前，面对我国航空航天、汽车轮船领域制造业加速转型升级的现状，对结构件轻量化、高承载且功能化有着愈发迫切的需求，由周期性规律单胞组成的点阵结构有着极大应用潜力。因而，开发能够提高点阵结构的比模量、比强度，提升轻量化优势的结构设计方法成为了必然要求。如CN201810615351.1-一种轻质空间点阵结构公布了一种轻量化、高强度且具有贯通孔的杆系点阵结构，具有良好的抗弯曲、抗扭转性能，但其杆系结点处受载容易破坏。对此，专利CN201910398127.6-一种节点增强型点阵结构公布了一种杆体之间采用球形结点连接、杆体与球形结点之间采用圆角平滑过渡的增强型点阵结构，但改进结构弹性模量仅能提高20％，并且增加了点阵单胞体积，不利于轻量化目标，此外，此类结点增强型点阵结构加工要求精度较高，增加了实际制备难度。

发明内容

为了实现优异的结构承载特性并保持高比表面积的功能特性，同时提升轻量化优势。在保持其高比表面积与开孔特性的前提下，本发明的目的是创新性地提出一种圆杆化的三维点阵结构，将其中平面四边形转换为外接椭圆形或圆形，从而形成新型弧形杆点阵结构，较大程度地增强了结构的力学性能，且进一步提高了轻量化程度，使得该圆杆化点阵结构在功能性承载与轻量化应用上有着良好的应用价值，并且易于制备实现。

本发明的圆杆化的三维点阵结构，包括在三维空间内周期性规律排列并相互连接的多个点阵单胞；所述点阵单胞包括多个空间分布的节点和连接于所述节点之间的半圆/半椭圆杆；其中，点阵单胞中节点的分布可采用现有技术中已有的点阵分布，例如BCC、FCC等；点阵单胞中的半圆/半椭圆杆与相邻点阵单胞中的半圆/半椭圆杆相互交汇形成完整的圆型/椭圆型杆。

进一步，所述点阵单胞中的节点呈体心立方(BCC)分布，四个半椭圆杆分别连接体心立方的四对顶点节点，四个所述半椭圆杆交汇于体心节点；如图1为现有技术中的体心立方点阵单胞结构，其具有八个顶点节点和一个体心节点；八个直杆分别连接八个顶点节点和体心节点；本发明中将一对直杆替换为半椭圆杆；如图5所示为现有BCC点阵结构的示意图，如图6所示为圆杆化后的BCC点阵结构的示意图，对比可知，本发明的点阵单胞规律重复排列后形成的点阵结构中，将现有的BCC点阵中水平方向对角面上的平面四边形杆结构用外接椭圆代替，使得其变为弧形杆，具有轻质高强特性。

进一步，所述点阵单胞中的节点呈面心立方(FCC)分布；八个半圆杆分别连接面心立方的四对顶点节点，相邻两半圆杆交汇于面心节点。现有技术中的面心立方点阵单胞结构具有八个顶点节点和四个面心节点；每个面均由四个直杆分别连接四个顶点节点和面心节点；如图3所示，本发明中将每一对直杆替换为半圆杆，如图7所示为圆杆化后的FCC点阵结构的示意图，本发明的点阵单胞规律重复排列后形成的点阵结构中，将现有的FCC点阵中的正方形杆结构用外接圆杆代替。