作者：關(guān)志強、連芩供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2021-09-23
采用增材制造（AM）技術(shù)制備的晶格桁架結(jié)構(gòu)因其超輕和多功能特性有望在航空航天器領(lǐng)域（提升系統(tǒng)性能、節(jié)約推進能量等）得到廣泛的應用。然而，通過AM技術(shù)制造的晶格單元在設(shè)計的過程中很少考慮制造技術(shù)本身的約束（如SLM技術(shù)，當所設(shè)計的結(jié)構(gòu)中的桿件相對于水平面測量的懸垂角小于35度的時候，就需要額外的支撐結(jié)構(gòu)），導致晶格結(jié)構(gòu)的實際機械性能與設(shè)計性能之間存在顯著差異。因此，急需開發(fā)考慮了AM技術(shù)約束的晶格單元的創(chuàng)新設(shè)計策略。
中國空間技術(shù)研究院、南京航空航天大學和北京理工大學的方岱寧院士團隊合作，受固體物理學中晶體學的多重旋轉(zhuǎn)對稱性的啟發(fā)，采用三、四、六重旋轉(zhuǎn)對稱操作設(shè)計了三類用于AM的自支撐晶格單元。通過改善單元中節(jié)點的連通性，可以使結(jié)構(gòu)從以彎曲主導逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳熘鲗АＲ虼?，通過逐步增加節(jié)點的連通性，又可以把每類晶格分為四個層次級別。經(jīng)過以上設(shè)計，共形成了如圖1所示的12種自支撐晶格單元的設(shè)計。并用SLM制造出了這12種結(jié)構(gòu)。
圖1. 3類自支撐晶格單元及每類單元所對應的四個層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計
作者使用節(jié)點位移法推導出自支撐晶格的彈性本構(gòu)關(guān)系，用有限元計算和力學實驗的比對，驗證了本構(gòu)關(guān)系。實驗和理論分析結(jié)果如表1所示（其中L3-1表示三重旋轉(zhuǎn)對稱的第一級結(jié)構(gòu)，對應圖1的a-1）。可以看出，理論和實驗結(jié)果彈性模量之間的誤差在之間。在亞毫米尺度上，彈性模量的誤差在之間，都是可以接受的。因此，本文所提出的設(shè)計策略是合理的。
表1.通過實驗和等效計算得到的壓縮模量
這項工作對于各個領(lǐng)域的超輕三維晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要的意義。并且基于本文所提出的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)設(shè)計和制作了多個航天器結(jié)構(gòu)，如：首個由晶格夾層板組成的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)(2019年由千乘一號衛(wèi)星發(fā)射)；由拓撲優(yōu)化薄壁結(jié)構(gòu)和晶格填充組成的動量輪支架結(jié)構(gòu)(2019年由中巴地球資源衛(wèi)星 04A發(fā)射)；由薄壁和晶格填充結(jié)構(gòu)組成的月球及火星深空探測器的相變熱控制器和集熱器框架結(jié)構(gòu)。