[发明专利]基于可编程刚度的手性胞元构建的梯度点阵吸能结构及其3D打印方法

说明书

本发明公开了一种梯度点阵吸能结构及其可编程刚度的手性胞元、3D打印方法。手性胞元包括胞元结构，胞元结构包括上环、中环、下环、上部连接杆、下部连接杆；上环、下环具有相同的几何形状，中环位于上环、下环之间；上部连接杆具有若干根；各上部连接杆的两端分别与上环、中环对应连接并倾斜地均匀分布在上环、中环之间，下部连接杆具有若干根；各下部连接杆的两端分别与下环、中环对应连接并倾斜地均匀分布在下环、中环之间。因此，本发明所述胞元结构具有轴向受压扭转的变形行为，在压缩过程中，表现出零泊松比特性，即在压缩过程中，胞元整体结构不向外膨胀，因此，所述胞元本身具有较高平台应力，有良好的抗冲击性能。

技术领域

本发明涉及一种可编程刚度的手性胞元，用于构成点阵结构。

本发明还涉及一种梯度点阵吸能结构，尤其是一种基于可编程刚度手性胞元的梯度点阵吸能结构。

本发明还涉及一种用于成型上述梯度点阵吸能结构的3D打印方法。

背景技术

点阵结构具有轻质、比刚度高、比强度高、吸声隔热等优良特性，被越来越多地应用在在汽车、船舶、航空航天等领域。功能梯度点阵结构（Functionally graded latticestructure）是对点阵结构的一种针对于抗冲击应用的结构优化设计，在轴向冲击下，功能梯度点阵结构具有由低强度层到高强度层逐级失效，在相同质量情况下相较于均匀点阵结构（Uniform lattice structure）能够吸收更多的能量。现有的缓冲吸能梯度点阵结构，一般通过两种方法实现性能梯度设计：

一种方法是调整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，以此实现点阵结构性能的梯度设计，如已公开的中国专利CN107498948A。然而，由于尺寸效应的存在，同等载荷情况下，不同单胞尺寸的点阵结构所表现出来的力学行为并不相同；因此，需要在改变点阵单胞杆件截面尺寸的同时，考虑点阵单胞尺寸对结构整体性能的影响。

另一种方法是调控点阵胞元整体尺寸，即改变每个点阵胞元的整体尺寸，通过过渡层设计，从而实现大点阵胞元与小点阵胞元之间的过渡，最终实现点阵结构的梯度设计，如已公开的发明专利CN109163212A。然而，由于大胞元和小胞元尺寸存在差别，在胞元交界处易产生应力集中现象，因此，应考虑不改变胞元间连接处尺寸的情况下，提高胞元的力学性能，以实现结构性能的梯度设计。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种可编程刚度的手性胞元，该手性胞元具有良好的抗冲击性能，并在轴向压缩时能够产生扭转变形，同时，手性胞元本身具有零泊松比特性，即在压缩过程中，手性胞元整体结构不向外膨胀。使得手性胞元结构在压缩过程中具有较高的平台应力，具有良好的吸能抗冲击的性能。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种可编程刚度的手性胞元，包括胞元结构，该胞元结构包括上环、中环、连接杆、下环，连接杆包括上部连接杆、下部连接杆；其中：

所述的上环、下环具有相同的几何形状，中环位于上环、下环之间，且上环、中环、下环的轴线均与胞元结构的中轴线重合；

所述的上部连接杆，具有若干根；各上部连接杆的两端分别与上环、中环对应连接并倾斜地均匀分布在上环、中环之间，且各上部连接杆均相对于胞元结构的中轴线异面设置，同时各上部连接杆均与胞元结构的中轴线形成夹角ϴ；

所述的下部连接杆，具有若干根；各下部连接杆的两端分别与下环、中环对应连接并倾斜地均匀分布在下环、中环之间，且各下部连接杆均相对于胞元结构的中轴线异面设置，同时各下部连接杆均与胞元结构的中轴线形成夹角-ϴ。

进一步地，所述上部连接杆的数量与下部连接杆的数量、尺寸一致，且每一根上部连接杆与中环的连接位点均处于相邻的两根下部连接杆与中环的连接位点之间。

进一步地，上环、下环的几何形状为圆环。