面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法技术

本申请涉及航天领域，具体而言，涉及一种面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法。本申请实施例提供了一种梯度点阵结构，包括：多级沿预设方向依次连接的层状点阵，每一级层状点阵均包括至少一个点阵胞元；每一个点阵胞元均包括多个杆件，其中多个基本杆件相交于一点，且点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性。沿预设方向，每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型梯度增加。通过将每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型梯度增加，从而逐级增加了层状点阵的强度和刚度，实现了整个梯度点阵结构的性能梯度变化。

Gradient Lattice Structure and Its Design Method for Additional Material Manufacturing

The present application relates to the field of aerospace, in particular to a gradient lattice structure for augmentation manufacturing and its design method. The embodiment of the present application provides a gradient lattice structure, which includes: multi-level layered lattice connected in sequence along the preset direction, each level of layered lattice includes at least one lattice cell; each lattice cell includes a plurality of rods, in which several basic rods intersect at a point, and the lattice cell rotates three, four or six times in space relative to the preset direction of the intersection point. Symmetry. Along the preset direction, the configuration gradient of each lattice cell in each hierarchical lattice increases with respect to each lattice cell in the previous hierarchical lattice. By increasing the configuration gradient of each lattice cell in each hierarchical lattice with respect to each lattice cell in the previous hierarchical lattice, the strength and stiffness of the lattice are increased step by step, and the gradient change of the performance of the whole gradient lattice structure is realized.

【技术实现步骤摘要】
面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法
本申请涉及航天领域，具体而言，涉及一种面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法。
技术介绍
点阵结构具有良好的缓冲吸能特性，可用作航天器的着陆缓冲吸能结构，而梯度点阵结构由于具有吸能密度高、反冲力小和易于增材制造一体化成形的优点，被认为是最具潜力的下一代航天器缓冲吸能结构形式之一。现有的缓冲吸能梯度点阵结构，一般通过两种途径实现性能梯度设计：一种途径是调控点阵胞元的杆件直径，即保持每个点阵胞元的外形尺寸不变，仅改变每个胞元的杆件直径，从而实现点阵结构性能的梯度设计；另一种途径是调控点阵胞元的外包络尺寸，即改变每个点阵胞元的外包络尺寸，实现大包络点阵胞元与小包络点阵胞元之间的过渡，实现点阵结构性能的梯度设计。然而，目前，受增材制造力学性能稳定成形结构最小特征尺寸的限制，采用同一台设备制造点阵结构，能够实现的点阵胞元杆件直径和点阵胞元的外包络尺寸只能局限在较窄的尺寸范围，导致对于给定宏观尺寸的工程结构中过细的杆件或过小的点阵胞元在设计上可行，但无法制造实现。
技术实现思路
有鉴于此，本申请实施例的目的在于提供一种面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法，可以根据制造技术或制造设备能够稳定成形的结构尺寸范围，进行点阵胞元杆件直径和点阵胞元外包络尺寸设计，通过相同外包络尺寸点阵胞元的构型设计，实现点阵结构的性能梯度变化。第一方面，本申请实施例提供了一种梯度点阵结构，包括：多级沿预设方向依次连接的层状点阵，每一级层状点阵均包括至少一个点阵胞元；每一个点阵胞元均包括多个杆件，其中多个基本杆件相交于一点，且点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性；沿预设方向，每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型梯度增加。通过将每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的构型梯度增加，从而逐级增加了层状点阵的强度和刚度，实现了整个梯度点阵结构的性能梯度变化。相对于现有技术中需要通过逐级增加每一个点阵胞元的杆件的直径的或者逐级增加每一个点阵胞元的外包络尺寸，本申请提供的这种梯度点阵结构，无需改变点阵胞元的外包络尺寸或点阵胞元的杆件直径大小，就能够实现点阵结构的性能梯度变化。由于是通过梯度增加每一级点阵胞元的构型，因此每一级的点阵胞元中的杆件的直径大小均相等，每一级点阵胞元的外包络尺寸均相等。这样，当制造该梯度点阵结构时，可以根据制造技术或制造设备能够稳定成形的结构尺寸范围，选择点阵胞元杆件直径和点阵胞元外包络尺寸设计，通过相同外包络尺寸点阵胞元的构型设计，实现点阵结构的性能梯度变化。极大地降低了制造难度，使得制得的梯度点阵结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。本申请实施例提供的这种梯度点阵结构，能够用于航天器缓冲吸能结构，且具有良好的缓冲吸能性能。进一步可选地，在该梯度点阵结构的外部包裹蒙皮，能够进一步地提高结构缓冲吸能性能。在本申请的一些具体实施例中，每一级层状点阵均包括至少一层，每相邻的两层层状点阵沿预设方向依次连接。通过将每一级的层状点阵设置为包括至少一层，从而能够根据实际的需要设计整个梯度点阵结构的高度，进而使得该梯度点阵结构能够适用于不同的使用环境，应用广泛。在本申请的一些具体实施例中，多级层状点阵一体成型。通过将多级的层状点阵一体成型，使得整个梯度点阵结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。进一步可选地，多级层状点阵通过激光选区熔化成形工艺一体成型。该工艺制得的梯度点阵结构，结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。在本申请的一些具体实施例中，每一个基本型点阵胞元包括六根杆件；或者每一个基本型点阵胞元包括八根杆件；或者每一个基本型点阵胞元包括十二根杆件。当每一个基本型点阵胞元包括六根杆件时，六根杆件相交于一点，能够实现三重对称性。三重对称的胞元结构，能够满足后续逐级梯度递增点阵胞元的构型时，保持每一级的点阵胞元的具有相同外包络尺寸。当每一个点阵胞元包括八根杆件时，八根杆件相交于一点，能够实现四重对称性。四重对称的胞元结构，能够满足后续逐级梯度递增点阵胞元的构型时，保持每一级的点阵胞元的具有相同外包络尺寸。当每一个点阵胞元包括十二根杆件时，十二根杆件相交于一点，能够实现六重对称性。六重对称的胞元结构，能够满足后续逐级梯度递增点阵胞元的构型时，保持每一级的点阵胞元的具有相同外包络尺寸。在本申请的一些具体实施例中，沿预设方向每一级层状点阵中的每一个点阵胞元的杆件数量相对于前一级层状点阵中的每一个点阵胞元的杆件数量呈梯度增加。通过在每一级的层状点阵中增加杆件的数量，能够改变点阵胞元的构型，且不会改变点阵胞元构型的外包络尺寸。通过梯度增加每一级的层状点阵中的每一个点阵胞元的杆件数量，使得每一级中的点阵胞元的构型梯度改变，从而实现整个梯度点阵结构的刚度和强度的梯度增加。在本申请的一些具体实施例中，沿预设方向从第二级起，每一级中的每一个点阵胞元中呈上下相对设置的两个杆件的自由端之间连接有第一增杆，且每一个第一增杆均沿预设方向设置。通过在每一个点阵胞元中呈上下相对设置的两个杆件的自由端之间连接有第一增杆，并保证第一增杆沿预设方向设置，从而能够实现对点阵胞元构型的改变，且不会改变点阵胞元构型的外包络尺寸。在本申请的一些具体实施例中，沿预设方向从第二级起，每一个点阵胞元中呈上下相对且对角设置的两个杆件的自由端之间连接有第二增杆。通过在每一个点阵胞元中呈上下相对且对角设置的两个杆件的自由端之间连接有第二增杆，从而能够实现对点阵胞元构型的改变，且不会改变点阵胞元构型的外包络尺寸。在本申请的一些具体实施例中，每一个杆件与水平面的夹角均大于40°，水平面垂直于预设方向。通过将每一个杆件与水平面的夹角设置为大于40°，不仅能够保证整个层状点阵稳定，而且满足增材制造高精度成形工艺约束，更容易加工制造，从而使得结构成形尺寸与设计尺寸一致性更好，结构实际性能与设计性能一致性更好。在本申请的一些具体实施例中，包括沿预设方向依次连接的第一级层状点阵、第二级层状点阵、第三级层状点阵以及第四级层状点阵；每一级均包括至少一层层状点阵；每一层层状点阵均包括多个呈阵列状连接的点阵胞元；第二级层状点阵中的每一个点阵胞元中呈上下相对设置的两个杆件的自由端之间还连接有第一增杆，且每一个第一增杆均沿预设方向设置；第三级层状点阵包括第一增杆，每相邻的两个第一增杆之间还设置有一个第二增杆；第二增杆连接于每一个点阵胞元中呈上下相对且对角设置的两个杆件的自由端之间；第四级层状点阵包括第一增杆，且每相邻的两个第一增杆之间设置两个相交的第二增杆。通过将该梯度点阵结构设置为四级，并且在第一级的基础上，在第二级增加第一增杆；在第三级时在第二级的基础上增加一个第二增杆；在第四级时，在第三级的基础上再增加一个第二增杆，且第一增杆和第二增杆的位置均按照预设的位置连接，实现了整个梯度点阵结构构型的梯度增加。第二方面，本申请实施例提供了一种面向增材制造的梯度点阵结构设计方法，包括：沿预设的增材制造工艺竖直方向依次连接多级层状点阵，每一级层状点阵均包括至少一个点阵胞元；将每一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种梯度点阵结构，其特征在于，包括：多级沿预设方向依次连接的层状点阵，每一级所述层状点阵均包括至少一个点阵胞元；每一个所述点阵胞元均包括多个杆件，其中多个基本杆件相交于一点，且所述点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性；沿预设方向，每一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的构型相对于前一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的构型梯度增加。

【技术特征摘要】
1.一种梯度点阵结构，其特征在于，包括：多级沿预设方向依次连接的层状点阵，每一级所述层状点阵均包括至少一个点阵胞元；每一个所述点阵胞元均包括多个杆件，其中多个基本杆件相交于一点，且所述点阵胞元相对于过交点的预设方向具有三重、四重或六重空间旋转对称性；沿预设方向，每一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的构型相对于前一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的构型梯度增加。2.如权利要求1所述的梯度点阵结构，其特征在于，每一级所述层状点阵均包括至少一层，每相邻的两层所述层状点阵沿预设方向依次连接。3.如权利要求1所述的梯度点阵结构，其特征在于，多级所述层状点阵一体成型。4.如权利要求1所述的梯度点阵结构，其特征在于，每一个基本型所述点阵胞元包括六根所述杆件；或者每一个基本型所述点阵胞元包括八根所述杆件；或者每一个基本型所述点阵胞元包括十二根所述杆件。5.如权利要求1-4任一项所述的梯度点阵结构，其特征在于，沿预设方向每一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的杆件数量相对于前一级所述层状点阵中的每一个所述点阵胞元的杆件数量呈梯度增加。6.如权利要求1-4任一项所述的梯度点阵结构，其特征在于，沿预设方向从第二级起，每一级中的每一个所述点阵胞元中呈上下相对设置的两个杆件的自由端之间连接有第一增杆，且每一个所述第一增杆均沿所述预设方向设置。7.如权利要求1-4任一项所述的梯度点阵结构，其特征在于，沿预设方向从第二级起，每一个所述点阵胞元中呈...

【专利技术属性】
技术研发人员：周浩，张啸雨，曾惠忠，赵云鹏，杨建中，潘博，陈宏宇，於晓榛，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京,11