中國科學(xué)院力學(xué)研究所：用于彎曲夾層結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)三維晶格

供稿人：張道康、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

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(xué)院力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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。

參考文獻：
Shuai K, Wl C, Jwa B, et al. Self-adaptive pinned 3D lattice for curved sandwich structures[J]. Additive Manufacturing, 2022.