[发明专利]面向增材制造的梯度点阵结构及其设计方法

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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。

发明内容

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。