CN110861790A - 一种纯点阵承力筒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种纯点阵承力筒，包括由外向内依次设置的外层圆柱壳、点阵夹芯和内层圆柱壳，所述外层圆柱壳和内层圆柱壳均由纵向筋和斜向筋交叉的二维点阵结构构成；所述点阵夹芯设置在所述外层圆柱壳和内层圆柱壳之间，由若干三维胞元阵列构成。本发明适用于承受轴压、弯曲、剪切等载荷条件下的多功能飞行器主承力结构设计。

Description

一种纯点阵承力筒
技术领域
本发明涉及航天器主承力结构设计领域，特别涉及一种纯点阵承力筒。
背景技术
近年来，随着制备工艺的不断发展完善，且轻质点阵结构兼备轻量化和多功能化特点，点阵结构是当前国际上认为最有前景的新一代轻质超强韧性材料，由于具有较高的比刚度和比强度，而且具有良好的可设计性及多功能性，受到许多领域的广泛关注。为了实现航天飞行器减轻重量、增加有效载荷的目的，因此，急需将点阵结构应用于航天器主承力结构中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纯点阵承力筒，一种纯点阵承力筒，包括由外向内依次设置的外层圆柱壳、点阵夹芯和内层圆柱壳，所述外层圆柱壳和内层圆柱壳均由纵向筋和斜向筋交叉的二维点阵结构构成；
所述点阵夹芯设置在所述外层圆柱壳和内层圆柱壳之间，由若干三维胞元阵列构成。
较佳的，所述外层圆柱壳和内层圆柱壳均为三角形点阵构型或四边形点阵构型。
较佳的，所述外层圆柱壳的纵向筋的截面为四边形或圆形；
所述外层圆柱壳的斜向筋的截面为四边形或圆形；
所述内层圆柱壳的纵向筋的截面为四边形或圆形；
所述内层圆柱壳的斜向筋的截面为四边形或圆形。
较佳的，所述外层圆柱壳的纵向筋和斜向筋的径向厚度相同；
所述内层圆柱壳的纵向筋和斜向筋的径向厚度相同；
所述外层圆柱壳的纵向筋的宽度和厚度分别与所述内层圆柱壳的纵向筋的宽度和厚度相同；
所述外层圆柱壳的斜向筋的宽度和厚度分别与所述内层圆柱壳的斜向筋的宽度和厚度相同。
较佳的，所述外层圆柱壳的纵向筋的截面面积大于斜向筋的截面面积；
所述内层圆柱壳的纵向筋的截面面积大于斜向筋的截面面积。
较佳的，所述外层圆柱壳的纵向筋与斜向筋的交叉点与所述点阵夹芯的胞元最外侧顶点固连，所述内层圆柱壳的纵向筋与斜向筋的交叉点与所述点阵夹芯的胞元最内侧顶点固连。
较佳的，所述点阵夹芯的胞元为四面体型或金字塔型。
较佳的，所述点阵夹芯的胞元由若干杆件组成，每一所述杆件的截面均为四边形或圆形。
较佳的，所述点阵夹芯的胞元为单层或多层。
较佳的，还包括两环形端框，所述外层圆柱壳、点阵夹芯和内层圆柱壳的顶部和底部分别通过增材制作工艺与上下两所述端框整体化成型。
较佳的，所述端框由U型板制成。
较佳的，所述端框上设有若干螺栓连接孔，用于与相邻的承力筒的端框通过螺栓紧固件连接。
较佳的，所述外层圆柱壳、内层圆柱壳、点阵夹芯和端框均为金属材料制成。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
点阵结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧多功能材料，轻质点阵材料具有极强的抗屈曲能力，因此，适用于承受轴压、弯曲、剪切等载荷条件下的多功能飞行器主承力结构设计。相比传统的闭合蒙皮蜂窝或蜂窝夹芯圆筒壳结构，由于本发明的筒壳结构中内外层圆柱壳均为开放型，且可以采用较疏的大尺寸结构避免了蒙皮的格间屈曲失稳，从而在优化承载能力的情况下减少结构重量，有效地增大结构优化的空间，相较于传统结构形式便于安装和维修，且大大降低了结构的缺陷敏感性。
在实现轻量化设计、精细化、多功能设计的同时，点阵结构能够将缺陷损伤限制在局部的胞元内，具有防止损伤进一步扩展的作用，因此纯点阵承力筒结构具有较高的比强度、比刚度性能同时可有效抑制缺陷扩展，降低结构缺陷敏感性，提高结构承载能力。
本发明的内外层圆柱壳主要承受轴向拉压作用，结构自稳定性高，抗屈曲能力强；点阵结构的空间开放构形使得结构可以进行多功能设计，比如填放吸波泡沫形成隐身结构夹层等；结构的空间开放构形同时便于检测和补修。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为本发明的优选实施例提供的一种纯点阵承力筒(不含端框)的俯视图；
图2为本发明的优选实施例提供的一种纯点阵承力筒的立体图；
图3为本发明的优选实施例提供的外层圆柱壳的结构示意图；
图4为本发明的优选实施例提供的内层圆柱壳的结构示意图；
图5为本发明的优选实施例提供的单层金字塔型点阵夹芯的俯视图；
图6为本发明的优选实施例提供的单层金字塔型点阵夹芯的立体图；
图7为本发明的优选实施例提供的一种纯点阵承力筒(不含端框，且点阵夹芯为单层金字塔型)的俯视图；
图8为本发明的优选实施例提供的两层金字塔型点阵夹芯的俯视图；
图9为本发明的优选实施例提供的两层金字塔型点阵夹芯的立体图；
图10为本发明的优选实施例提供的上下端框的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合图1至图10对本发明提供的一种纯点阵承力筒进行详细的描述，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。
请参考图1至图10，一种纯点阵承力筒，包括由外向内依次设置的外层圆柱壳1、点阵夹芯3和内层圆柱壳2，所述外层圆柱壳1和内层圆柱壳2均由纵向筋和斜向筋交叉的二维点阵结构构成；所述点阵夹芯3设置在所述外层圆柱壳1和内层圆柱壳2之间，由若干三维胞元阵列构成。具体的：
外层圆柱壳1为点阵结构，其包括若干的纵向筋11和斜向筋12，纵向筋11和斜向筋12交叉；在本实施例中，若干纵向筋11间隔设置并围成一圆形，若干斜向筋12倾斜且弯曲成圆弧形与纵向筋11交叉。外侧圆柱壳1展开为二维点阵面板，即外侧圆柱壳1在展开状态下，交叉的纵向筋11和斜向筋12位于同一平面上，外侧圆柱壳1由此二维点阵面板弯折而成。本发明对斜向筋12的倾斜角度以及倾斜方向不做限制，可根据具体要求而定。
内层圆柱壳2点阵结构，其包括若干交叉的纵向筋21和斜向筋22，纵向筋21和斜向筋22交叉；在本实施例中，若干纵向筋21间隔设置并围成一圆形，若干斜向筋22倾斜且弯曲成圆弧形与纵向筋21交叉。内层圆柱壳2展开为二维点阵面板，即内侧圆柱壳2在展开状态下，交叉的纵向筋21和斜向筋22位于同一平面上，内层圆柱壳2由此二维点阵面板弯折而成。本发明对斜向筋22的倾斜角度以及倾斜方向不做限制，可根据具体要求而定。
在本实施例中，外层圆柱壳1和内层圆柱壳2在同一条轴线上。
在本实施例中，所述外层圆柱壳1的纵向筋11与斜向筋12的交叉点与所述点阵夹芯3的胞元最外侧(最靠近外层圆柱壳1的一侧为最外侧)顶点固连，构成一个完整的结构体；所述内层圆柱壳2的纵向筋21与斜向筋22的交叉点与所述点阵夹芯3的胞元最内侧顶点(最靠近内层圆柱壳2的一侧为最内侧)固连，构成一个完整的结构体。所述外层圆柱壳1、点阵夹芯3和内层圆柱壳2的顶部和底部分别通过增材制作工艺与上下两所述端框4整体化成型。
在本实施例中，所述外层圆柱壳1的若干纵向筋11均匀间隔设置，若干斜向筋12均匀间隔设置，纵向筋11与斜向筋12交叉形成的最小闭合图形为三角形或四边形，即外层圆柱壳1为三角形点阵构型或四边形点阵构型；
在本实施例中，所述内层圆柱壳2的若干纵向筋21均匀间隔设置，若干斜向筋22均匀间隔设置，纵向筋21与斜向筋22交叉形成的最小闭合图形为三角形或四边形，即内层圆柱壳2为三角形点阵构型或四边形点阵构型。
本发明对优选的，外层圆柱壳1和内层圆柱壳2的纵向筋和斜向筋的具体形状以及尺寸不做限制，优选的：
所述外层圆柱壳1的纵向筋11的截面为四边形或圆形，所述外层圆柱壳1的斜向筋12的截面为四边形或圆形，纵向筋11和斜向筋12的截面形状可以相同，也可以不同；纵向筋11的截面面积大于斜向筋12的截面面积。
所述内层圆柱壳2的纵向筋21的截面为四边形或圆形，斜向筋22的截面为四边形或圆形，纵向筋21和斜向筋22的截面形状可以相同，也可以不同；纵向筋21的截面面积大于斜向筋22的截面面积。
所述外层圆柱壳1的纵向筋11和斜向筋12的径向厚度相同；
所述内层圆柱壳2的纵向筋21和斜向筋22的径向厚度相同；
所述外层圆柱壳1的纵向筋11的宽度和厚度分别与所述内层圆柱壳2的纵向筋21的宽度和厚度相同；
所述外层圆柱壳1的斜向筋12的宽度和厚度分别与所述内层圆柱壳2的斜向筋22的宽度和厚度相同。
作为一种实施例，外层圆柱壳1的纵向筋11和斜向筋12的截面均为四边形，纵向筋11和斜向筋12的径向厚度相同，纵向筋11是斜向筋12的截面宽度的2至3倍。
内层圆柱壳2的纵向筋21和斜向筋22的截面均为四边形，纵向筋21和斜向筋22的径向厚度相同，纵向筋21是斜向筋22的截面宽度的2至3倍。
在本实施例中，点阵夹芯3是由胞元沿纵向和环向阵列而成的圆柱壳结构，所述胞元为四面体型或金字塔型。
具体的，所述胞元由若干杆件组成，每一所述杆件的截面均为四边形或圆形。本发明对杆件的尺寸大小不做具体限制，在本实施例中，每一胞元内的所有杆件大小相同，长细比为5～10。且每一胞元内的所有杆件的截面大小相同。
所述点阵夹芯的胞元为单层或多层，如图5至图7所示，此胞元为单层，此点阵夹芯3为单层金字塔型点阵夹芯3结构；如图8和图9所示，此胞元为两层，此点阵夹芯3为两层金字塔型点阵夹芯结构。优选的，胞元取2～3层。
在本实施例中，所述端框4由U型板制成。外层圆柱壳1、点阵夹芯3和内层圆柱壳2的自由节点通过封闭的U型厚板端框4连接在一起。端框4上设有若干螺栓连接孔41，用于与相邻的承力筒的端框4通过螺栓紧固件紧固连接。
在本实施例中，所述外层圆柱壳1、内层圆柱壳2、点阵夹芯3和端框4均为金属材料制成，点阵结构是当前国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强韧多功能材料，轻质点阵材料具有极强的抗屈曲能力。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (13)

1.一种纯点阵承力筒，其特征在于，包括由外向内依次设置的外层圆柱壳、点阵夹芯和内层圆柱壳，所述外层圆柱壳和内层圆柱壳均由纵向筋和斜向筋交叉的二维点阵结构构成；
所述点阵夹芯设置在所述外层圆柱壳和内层圆柱壳之间，由若干三维胞元阵列构成。
2.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述外层圆柱壳和内层圆柱壳均为三角形点阵构型或四边形点阵构型。
3.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述外层圆柱壳的纵向筋的截面为四边形或圆形；
所述外层圆柱壳的斜向筋的截面为四边形或圆形；
所述内层圆柱壳的纵向筋的截面为四边形或圆形；
所述内层圆柱壳的斜向筋的截面为四边形或圆形。
4.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述外层圆柱壳的纵向筋和斜向筋的径向厚度相同；
所述内层圆柱壳的纵向筋和斜向筋的径向厚度相同；
所述外层圆柱壳的纵向筋的宽度和厚度分别与所述内层圆柱壳的纵向筋的宽度和厚度相同；
所述外层圆柱壳的斜向筋的宽度和厚度分别与所述内层圆柱壳的斜向筋的宽度和厚度相同。
5.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述外层圆柱壳的纵向筋的截面面积大于斜向筋的截面面积；
所述内层圆柱壳的纵向筋的截面面积大于斜向筋的截面面积。
6.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述外层圆柱壳的纵向筋与斜向筋的交叉点与所述点阵夹芯的胞元最外侧顶点固连，所述内层圆柱壳的纵向筋与斜向筋的交叉点与所述点阵夹芯的胞元最内侧顶点固连。
7.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述点阵夹芯的胞元为四面体型或金字塔型。
8.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述点阵夹芯的胞元由若干杆件组成，每一所述杆件的截面均为四边形或圆形。
9.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述点阵夹芯的胞元为单层或多层。
10.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，还包括两环形端框，所述外层圆柱壳、点阵夹芯和内层圆柱壳的顶部和底部分别通过增材制作工艺与上下两所述端框整体化成型。
11.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述端框由U型板制成。
12.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述端框上设有若干螺栓连接孔，用于与相邻的承力筒的端框通过螺栓紧固件连接。
13.如权利要求1所述的一种纯点阵承力筒，其特征在于，所述外层圆柱壳、内层圆柱壳、点阵夹芯和端框均为金属材料制成。
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