中國科學院力學研究所：用于彎曲夾層結構的自適應三維晶格

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

作為承重的重要組成部分，點陣夾層結構由兩層蒙皮和一個厚的低密度內芯組成，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性以制造具有復雜形狀的夾層結構一直是主要問題限制了晶格夾層結構從實驗室走向工程領域。近年來，增材制造技術的發(fā)展使得實現(xiàn)多種復雜結構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)點旋轉自由度的固定方法制造彎曲晶格夾層，其中晶格芯的設計只需要考慮單元的大小和數(shù)量，可以自適應蒙皮的形狀，該方案具有標準化生產具有優(yōu)異機械性能的彎曲三維晶格夾層結構的潛力。

圖1 適用于復雜曲面的自適應晶格設計

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，晶格核心的可旋轉特性使節(jié)點平臺靈活地接觸復雜曲面的表皮。具有大批量生產的晶格芯的自適應能力如圖1所示。這種可以在不同方向進行擴展的晶格內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雜曲面蒙皮具有自適應性，從而完成具有三維晶格芯的曲面夾層結構的制作，如圖所示，對于平面、轉角和曲面均有較好的適應性。

圖2 可自適應變形的彎曲夾層結構

通過增材制造技術來制造晶格夾層曲面結構。如圖 2所示，為八面體晶格夾層結構的裝配過程和自適應變形。分別進行蒙皮與內層晶格結構的打印，然后通過固定位置節(jié)點進行粘接形成三維晶格夾層結構。當夾層晶格結構受到一定載荷后，內部鉸接的八面體晶格核心可根據(jù)內外蒙皮的形狀的變化進行自適應調整，與蒙皮接觸的節(jié)點相對位置不發(fā)生變化，不會造成晶格結構與內外蒙皮的脫離。

該研究提出了一種用于制造彎曲夾層結構的固定三維晶格。通過相鄰單元的節(jié)點中的旋轉自由度，可以實現(xiàn)更復雜空間結構設計。晶格內層可隨內外蒙皮自適應調整，形成可變形圓柱型的弧形晶格夾層。該方案為工程應用中具有曲面蒙皮的大尺寸三維晶格夾層結構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.