供稿人：張道康、田小永 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：2023-02-28
作為承重的重要組成部分，點陣夾層結(jié)構(gòu)由兩層蒙皮和一個厚的低密度內(nèi)芯組成，具有高比剛度，高比強度、能量吸收、多功能集成特性，但是晶格核心對彎曲表皮的適應(yīng)性以制造具有復(fù)雜形狀的夾層結(jié)構(gòu)一直是主要問題限制了晶格夾層結(jié)構(gòu)從實驗室走向工程領(lǐng)域。近年來，增材制造技術(shù)的發(fā)展使得實現(xiàn)多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速原型制作成為可能。中國科學院力學研究所宋洪文團隊提出了一種通過釋放相鄰晶格單元的公共節(jié)點旋轉(zhuǎn)自由度的固定方法制造彎曲晶格夾層，其中晶格芯的設(shè)計只需要考慮單元的大小和數(shù)量，可以自適應(yīng)蒙皮的形狀，該方案具有標準化生產(chǎn)具有優(yōu)異機械性能的彎曲三維晶格夾層結(jié)構(gòu)的潛力。
圖1 適用于復(fù)雜曲面的自適應(yīng)晶格設(shè)計
該方案采用晶格與晶格之間用固定銷進行鉸接，因此晶格與晶格之間可以發(fā)生旋轉(zhuǎn)，晶格核心的可旋轉(zhuǎn)特性使節(jié)點平臺靈活地接觸復(fù)雜曲面的表皮。具有大批量生產(chǎn)的晶格芯的自適應(yīng)能力如圖1所示。這種可以在不同方向進行擴展的晶格內(nèi)芯可視為一種新型材料體系。它就像一塊柔軟的布一樣可以進行裁剪，可以進行大批量的生成。在一定載荷下，這種晶格材料卷對復(fù)雜曲面蒙皮具有自適應(yīng)性，從而完成具有三維晶格芯的曲面夾層結(jié)構(gòu)的制作，如圖所示，對于平面、轉(zhuǎn)角和曲面均有較好的適應(yīng)性。
圖2 可自適應(yīng)變形的彎曲夾層結(jié)構(gòu)
通過增材制造技術(shù)來制造晶格夾層曲面結(jié)構(gòu)。如圖 2所示，為八面體晶格夾層結(jié)構(gòu)的裝配過程和自適應(yīng)變形。分別進行蒙皮與內(nèi)層晶格結(jié)構(gòu)的打印，然后通過固定位置節(jié)點進行粘接形成三維晶格夾層結(jié)構(gòu)。當夾層晶格結(jié)構(gòu)受到一定載荷后，內(nèi)部鉸接的八面體晶格核心可根據(jù)內(nèi)外蒙皮的形狀的變化進行自適應(yīng)調(diào)整，與蒙皮接觸的節(jié)點相對位置不發(fā)生變化，不會造成晶格結(jié)構(gòu)與內(nèi)外蒙皮的脫離。
該研究提出了一種用于制造彎曲夾層結(jié)構(gòu)的固定三維晶格。通過相鄰單元的節(jié)點中的旋轉(zhuǎn)自由度，可以實現(xiàn)更復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計。晶格內(nèi)層可隨內(nèi)外蒙皮自適應(yīng)調(diào)整，形成可變形圓柱型的弧形晶格夾層。該方案為工程應(yīng)用中具有曲面蒙皮的大尺寸三維晶格夾層結(jié)構(gòu)的制造提供了新的制造思路。