[发明专利]三维光滑曲面点阵胞元及设计方法、点阵结构、零件

说明书

本发明涉及材质轻质化技术领域，尤其涉及一种三维光滑曲面点阵胞元及设计方法、点阵结构、零件。其中设计方法通过对原始点阵胞元曲面进行离散、偏移得到各个网格单元曲面相对应的等距偏移曲面，再由等距偏移曲面形成新的不同形状的点阵胞元，保证等距偏移曲面的光滑连续特性，通过引入无量纲偏移参数，能够方便的改变曲面点阵胞元的几何构型，进而实现对力学性能的调控，得到符合需求的点阵胞元，使三维光滑曲面点阵胞元的应用更广泛。由多个三维光滑曲面点阵胞元阵列分布而成的点阵结构，能够根据需要选择不同形状的点阵胞元构型，得到满足需求的点阵结构。至少有一部分结构为点阵结构的零件，具有满足需求的力学性能。

技术领域

本发明涉及材质轻质化技术领域，尤其涉及一种三维光滑曲面点阵胞元及设计方法、点阵结构、零件。

背景技术

目前，我国航空航天领域已进入高速发展时期，结构重量是十分重要的指标，因此结构件的轻量化具有十分重要的意义；同时，由于复杂的工作环境，对于飞行器结构力学性能具有更高的要求。点阵结构是一种多孔轻质结构材料，具有高比刚度，高比强度及高比吸能等优点，在航空航天、车辆、医疗等领域结构轻量化设计中应用广泛。

随着增材制造技术和计算机辅助设计技术的不断发展,一类以极小曲面(光滑曲面)结构为单元的周期点阵结构得到了越来越广泛的应用,与传统的杆件类点阵相比,该结构采用隐式函数建模,造型简单、数据量小，可以周期性地在三维空间上构造出光滑连续的多孔结构,在轻量化的同时,具有优良性能。

中国专利申请(CN110641083A，一种泡沫填充三周期极小曲面多孔结构夹芯板及制备方法)公开了一种曲面点阵结构，该曲面点阵结构是通过求解隐式函数得到具有周期对称性的光滑曲面，此曲面的结构特征参数包括曲面胞元体尺寸及曲面壁厚，将其应用于提高结构件的力学性能及零件结构的减重。其中所采用的隐式函数属于普遍且通用的一般函数方程，由此得到曲面点阵结构，并未对几何构型进行任何改进设计。其所得到的点阵结构仍然存在以下缺点：首先求解隐式解函数方程整体得到的曲面结构构型是单一固定的，典型的曲面构型须通过求解相对应隐式解函数方程得到，由于形式复杂，无相应的整体调节参数，针对求解隐式解函数方程整体得到的曲面点阵胞元构型形状，本领域技术人员难以在保证光滑连续性的同时，对整体形状做出统一调整，从而难以对点阵力学性能进行调控，并且由曲面点阵构型固定，无法对点阵的各向异性力学特性进行调控，给工程应用带来了很大困难。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的第一个目的是提供一种三维光滑曲面点阵胞元设计方法，能够方便的对曲面点阵胞元的形状做出统一调整，根据需要得到不同形状的点阵胞元的构型，实现对其力学性能的调控。

本发明的第二个目的是提供一种由三维光滑曲面点阵胞元设计方法设计得到的三维光滑曲面点阵胞元。

本发明的第三个目的是提供一种由三维光滑曲面点阵胞元构成的点阵结构。

本发明的第四个目的是提供一种零件，至少有一部分结构为由三维光滑曲面点阵胞元构成的点阵结构。

(二)技术方案

为了实现上述第一个目的，第一方面，本发明提供了一种三维光滑曲面点阵胞元设计方法，通过求解隐式函数得到原始点阵胞元曲面，还包括以下步骤：

将原始点阵胞元曲面离散得到多个网格单元曲面；

分别获取每个网格单元曲面的等距偏移曲面，获取每个网格单元曲面等距偏移曲面的步骤为：

通过网格单元曲面的每个节点坐标分别获取网格单元曲面在每个节点的法向量；

按照设定的无量纲偏移参数α，通过沿各个节点的法向量偏移各个节点，得到任一点的偏移距离均相同等距偏移曲面；

无量纲偏移参数α满足以下关系：