CN107023074B - 一种具有功能梯度的点阵材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有功能梯度的点阵材料，通过单胞元点阵结构空间延拓布置形成，单胞元形状有金字塔、四面体及其它多面体形状，单胞元的高度方向为Z轴方向，单胞元底面上的点位于X‑Y平面上，通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置，形成单片点阵结构，在该延拓布置过程中，同一层之间单胞元的Z方向上的高度保持不变，相邻的两个单胞元底面上端点之间的距离是不相等的，将高度不同的单片点阵结构以单胞元顶点所在的X‑Y平面为对称平面进行镜像对称延拓布置，形成多层空间点阵结构，本点阵材料的物性参数随空间位置呈梯度变化，自重轻，可设计性强，具有优异的抗冲击性能，并且取材方便，制作方法简易，应用前景十分可观。

Description

一种具有功能梯度的点阵材料
技术领域
本发明属于工程结构技术领域，具体涉及一种具有功能梯度的点阵材料。
背景技术
随着工程技术的迅猛发展，功能梯度材料改善表面接触损伤方面的优异性能受到了广泛的关注，功能梯度材料通过改变微观结构的空间变化梯度，使材料的物性参数随空间位置呈梯度变化，点阵材料具有高孔隙率，可以通过对点阵结构的单胞构型设计使点阵结构具有高比强度、高比刚度、高抗弯强度的优点，使得在相同结构承载力作用下可节省大量的材料，大大减轻了结构自重，但是目前的研究多处在实验水平，其推广应用需要更多的应用基础研究以适应各种复杂的使用环境。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种具有功能梯度的点阵材料，它的物性参数如弹性模量、泊松比和密度等随空间位置呈梯度变化。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种具有功能梯度的点阵材料，形成方法如下：
1)由单胞元通过空间延拓布置形成，单胞元是由杆件构成的稳定结构，形状有金字塔、四面体及其它多面体形状；
2)定义直角坐标系，单胞元的高度方向为Z轴方向，单胞元底面上的点位于X-Y平面上。通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置，形成单片点阵结构。在该延拓布置过程中，同一层之间单胞元的Z方向上的高度保持不变，相邻的两个单胞元底面上端点之间的距离是不相等的；
3)将高度不同的单片点阵结构以单胞元顶点所在的X-Y平面为对称平面进行镜像对称延拓布置，形成多层空间点阵结构。
本发明中的功能梯度点阵材料由金属、纤维增强复合材料及其它非金属材料构成。
本发明中的功能梯度点阵材料的梯度功能是通过控制每一层单胞元的高度和单胞元底面上端点之间的距离来实现的。
本发明中的功能梯度点阵材料宏观上的物性参数，如弹性模量、泊松比和密度等随空间位置呈梯度变化。
本发明同样适用于同一层内使用混合单胞元结构形式的点阵结构，例如同一层内采用高度相同的金字塔型单胞元和四面体型单胞元交错排列或随机排列的点阵结构。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种具有功能梯度的点阵材料，实现点阵材料具备了梯度功能，获得了具有功能梯度的点阵结构，这种具有梯度功能的点阵材料通过微观结构空间的变化，使材料宏观上的弹性模量、泊松比等在空间位置上呈梯度变化，兼具结构自重轻，可设计性强，具有优异的抗冲击性能，并且结构取材方便，方法简易，应用前景十分可观。
附图说明
图1为本发明的Z方向梯度功能点阵材料的示意图；
图2为本发明的金字塔型单胞元梯度功能点阵材料的立面图；
图3为本发明的X、Y与Z方向梯度功能点阵材料的示意图；
图4为本发明的金字塔型单胞元示意图；
图5为本发明的正四面体型单胞元示意图。
附图标记列表：
图1(a)为金字塔型单胞元一，图1(b)为图1(a)单胞元一的Z向镜像，图1(c)为金字塔型单胞元二，图1(d)为图1(c)单胞元二的Z向镜像，图2(a)为中间向边缘逐渐稀疏型梯度功能点阵材料立面图，图2(b)为中间向边缘逐渐紧密型梯度功能点阵材料立面图，图3(a)为金字塔型单胞元三，图3(b)为图3(a)单胞元三的Z向镜像，图3(c)为金字塔型单胞元四，图3(d)为单胞元四的Z向镜像，图4(a)为金字塔型单胞元轴测图，图4(b)为金字塔型单胞元立面图，图4(c)为金字塔型单胞元正投影图，图5(a)为正四面体型单胞元轴测图，图5(b)为正四面体型单胞元立面图，图5(c)为正四面体型单胞元正投影图，1、2、3、4、5、6为金字塔型单胞元杆件的端点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
1)如图1所示，本实施例为金字塔型单胞元梯度功能点阵材料，在Z方向上具有梯度功能，1-6为组成金字塔型单胞元杆件的端点，(a)为金字塔型单胞元，单胞元底面上的端点位于X-Y平面上。将金字塔型单胞元(a)以顶点1所在的X-Y平面为对称平面进行镜像对称延拓布置，形成单胞元(b)，再将金字塔型单胞元(c)以顶点6所在的X-Y平面为对称平面进行镜像对称延拓布置，形成单胞元(d)，以此类推，形成多层空间点阵结构，每一层的层高为
2)将单胞元在X与Y方向上的进行延拓布置，延拓过程中单胞元底面上的端点之间的距离保持不变，即L1＝L2，L3＝L4，形成金字塔型胞元梯度功能点阵材料，如图2所示，其中(a)为中间层高小，顶部和底部层高大，h1＜h2＜h3，点阵材料由中间向边缘呈逐渐稀疏型的分布，(b)为中间层高大，顶部和底部层高小，h3>h2>h1，点阵材料由中间向边缘呈逐渐紧密型的分布。金字塔点阵结构单胞元如图4，其中(a)为金字塔型单胞元轴测图，(b)为金字塔型单胞元立面图，(c)金字塔型单胞元正投影图。
实施例2：
1)如图3所示，本实施例为金字塔型单胞元梯度功能点阵材料，在X、Y与Z方向上具有梯度功能，将金字塔型单胞元(a)以顶点1所在的X-Y平面为对称平面进行镜像对称延拓布置，形成单胞元(b)，再将金字塔型单胞元(c)以顶点2所在的X-Y平面为对称平面进行镜像对称延拓布置，形成单胞元(d)，以此类推，形成多层空间点阵结构。
2)将单胞元在X与Y方向上的进行延拓布置，延拓过程中单胞元底面上端点之间的距离均发生变化，即L1≠L2，L3≠L4，形成X、Y与Z方向梯度功能点阵材料。

Claims (4)

1.一种具有功能梯度的点阵材料，其特征在于：形成方法如下：
1) 由单胞元通过空间延拓布置形成，单胞元是由杆件构成的稳定结构，形状有金字塔、四面体及其它多面体形状；
2）定义直角坐标系，单胞元的高度方向为Z轴方向，单胞元底面上的点位于X-Y平面上，通过单胞元结构在X与Y方向上的延拓布置，形成单片点阵结构，在该延拓布置过程中，同一层之间单胞元的Z方向上的高度保持不变，相邻的两个单胞元底面上端点之间的距离是不相等的；
3) 将高度不同的单片点阵结构以单胞元顶点所在的X-Y平面为对称平面进行镜像对称延拓布置，形成多层空间点阵结构。
2.根据权利要求1所述一种具有功能梯度的点阵材料，其特征在于：功能梯度点阵材料由金属、纤维增强复合材料及其它非金属材料构成。
3.根据权利要求1所述的一种具有功能梯度的点阵材料，其特征在于：材料的梯度功能是通过控制每一层单胞元的高度和单胞元底面上端点之间的距离来实现的。
4.根据权利要求1所述的一种具有功能梯度的点阵材料，其特征在于：材料宏观上的物性参数：弹性模量、泊松比和密度，随空间位置呈梯度变化。
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