[0001] 本发明涉及轻质高性能结构，具体涉及一种拼插式模块化压扭点阵结构及其制作方法。

[0002] 轻质点阵结构相对密度小、比钢强度高和吸能效果好，是一种理想的轻质吸能结构，在防护吸能、智能结构等领域具备广阔的应用前景。但是，传统点阵结构主要以溃缩形式吸收冲击能量，缓冲吸能手段单一。

[0003] 压扭点阵结构结合了压缩和扭转两种变形模式，相比于单一压缩或单一扭转的传统点阵结构，分散了冲击载荷，提高了结构的吸能效率。申请号为202111561756.X的发明专利公开了一种在拉压载荷下具有扭转变形模式的双稳态结构及其构成的多稳态点阵结构，又如申请号为202210729389.8的发明专利公开了一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构及其制备方法。这些技术方案存在的主要问题是：结构形式复杂，难以通过传统机加工的方式进行批量化生产，而通过3D打印或复合材料加工手段进行制备则加工效率低，成本高；在设计和加工完成后，无法通过更改压扭单元数量来改变点阵结构的宏观尺寸。

[0033] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

[0034] 如图1和图2所示，本发明的一种拼插式模块化压扭点阵结构，包括若干可拼插的压扭单元，每个压扭单元均包括两个正方形面板1和数根斜杆3，所述正方形面板1上四个外侧边7中，有两条相邻边上设置梯形截面凹槽8，有两条相邻边上设置有与梯形截面凹槽8相适配的梯形截面凸台6，正方形面板1上的中间部分开有星形孔2，星形孔2的各个顶点处均设有固定槽4；两个正方形面板1上下平行放置，斜杆3的两端分别插入上下两个正方形面板1星形孔2对应位置处的固定槽4中，星形孔2的内圈还装配有环形结构5，通过环形结构5方式防止斜杆3两端滑出固定槽4；根据实际需要来装配一定数量的压扭单元形成压扭点阵结构，装配时，对于同一水平方向的两个压扭单元，一个压扭单元的梯形截面凸台6与另一个压扭单元的梯形截面凹槽8进行间隙配合，实现压扭单元间的连接；装配时，对于同一垂直方向的两个压扭单元共用中间的正方形面板1；当装配完成后的压扭点阵结构受到压缩和拉伸载荷时，压扭点阵结构在轴向变形的同时会沿轴向产生扭转变形。

[0035] 本实施例，如图3和图4所示将正方形面板1设为边长为40mm且厚度为6mm的长方体结构，四个子面板的边长都为40mm，子面板a‑1和子面板b‑2的厚度为1mm，子面板a‑2和子面板b‑1的厚度为2mm，在中心部位剪切出规格边长为等于20mm的六角星形孔2；斜杆3的底部边长为4mm的正方形截面，厚度等于2mm的长方体结构，斜杆3的内径和高度都等于1mm，其斜度是为60°，如图6所示，总高度为等于28mm；星形孔2顶点处的固定槽4的长边长度和深度都为4mm，短边长度与斜杆3内径相等为1mm；环形结构5形状与星形孔2相同宽度等于2mm，厚度为3mm。且环形结构5与星形孔2二者之间形状相同且高度相同，环形结构5与星形孔2的中心轴线重合，且为间隙配合，如图5所示。

[0036] 图6中的斜杆两端端部采用半工字梁结构9，半工字梁插入固定于星形孔顶点处的固定槽4。斜杆的端部截面除上述正方形截面外还可以是长方形、圆形、椭圆形等任意图形。在进行压扭时，通过环形结构5防止斜杆两端滑出固定槽。

[0037] 本实施例，梯形截面凸台6均是上底贴合正方形面板1的外侧边7，且下底由上底向边侧延申，且下底长度大于上底长度；梯形截面凹槽8的下底长度大于上底长度，且下底凹进正方形面板1内；同一个正方形面板1的两对梯形截面凸台6和梯形截面凹槽8对立分布，以便与相邻正方形面板1进行拼插连接，如图3所示。

[0038] 如图8所示，本实施例的压扭点阵结构采用模块化设计和模块化拼插方法，通过正方形面板1侧边的梯形截面凸台6与梯形截面凹槽8拼插，可以控制该点阵结构规模及数量，包括层数量，尺寸大小。压扭点阵结构可由多个单元模块在空间内任意拓展而成，压扭点阵结构结合了压缩和扭转两种变形模式，相比于单一压缩或单一扭转的传统点阵结构，可以吸收更多的能量。多模式变形能够分散冲击载荷，提高结构的吸能效率。

[0039] 如图7所示，星形孔2顶点数可以自调节，如新类三边形拼插式模块化压扭点阵结构、新类四边形拼插式模块化压扭点阵结构、新类五边形拼插式模块化压扭点阵结构、新类六边形拼插式模块化压扭点阵结构、新类七边形拼插式模块化压扭点阵结构以及新类八边形拼插式模块化压扭点阵结构等等。星形孔2的顶点数量取决于斜杆3的数量，相应的，星形孔2的几何形状也同时决定了环形结构5的几何构型，如图5所示。从力学和几何角度分析，斜杆3数越多，当受载荷压扭时，斜杆3所受力便会分散，吸能效果越好，从经济方面和用材角度考虑，太多斜杆3会造成不便利以及拼插麻烦，所以当应用在像汽车的领域时，星形孔2的顶点数量为6至8便可以满足，当应用在像小型高端仪器防护时，星形孔2的顶点数量为3至5便可以满足。

[0040] 上述拼插式模块化压扭点阵结构的制作方法，包括以下步骤：

[0041] 步骤1、制作单个正方形面板1，每个正方形面板1均包括四个子面板，依次为子面板a‑1、子面板a‑2、子面板b‑1和子面板b‑2；四个子面板的形状和尺寸相同，以及具有相同星形孔2；如图4所示，

[0042] 如图4中的a所示，子面板a‑1和子面板a‑2合成面板a，子面板a‑1上星形孔2各顶点处的凹槽与子面板a‑2上星形孔2各顶点处的凹槽组合成形成固定槽4；子面板b‑1和子面板b‑2合成面板b，子面板b‑1上星形孔2各顶点处的凹槽与子面板b‑2上星形孔2各顶点处的凹槽组合成形成固定槽4；且子面板b‑1与子面板a‑2关于子面板a‑2底面轴线成中心对称，如图4中的b和图4中的c所示，且几何参数一致，子面板b‑2与子面板a‑1关于子面板a‑2底面成轴线中心对称，且几何参数一致；子面板a‑1、子面板a‑2、子面板b‑1和子面板b‑2从上至下按顺序堆叠拼接后构成正方形面板1；

[0043] 通过该方法制作出来的面板a和面板b的厚度相同，均是正方形面板1厚度的一半，正方形面板1上所有固定槽4的位置以图4b所示轴线称中心对称，同一个正方形面板1中对应的面板a和面板b为中心对称，面板a中凹槽呈“上凸”，面板b中凹槽呈“下凸”的形状，然后将面板a和面板b沿着凹槽形状“凸”的中心轴面；

[0044] 步骤2、制作单个压扭单元；

[0045] 取两个正方形面板1，先将各斜杆3一端按照固定槽4顺序拼插到一个正方形面板1的面板a上，再将斜杆3另一端按照固定槽4顺序一一拼插到另一个正方形面板1的面板b上；在星形孔2外固定环形结构5防止斜杆3外滑；最后在正方形面板1的四个外侧边7上对称设计梯形截面凹槽8和梯形截面凸台6；

[0046] 步骤3、根据实际需求，将多个单个压扭单元进行空间内扩展，方法为：

[0047] 在同一水平方向上，各个压扭单元之间通过梯形截面凸台6和梯形截面凹槽8进行拼插连接，而同一垂直方向上两个压扭单元则可以共用中间的正方形面板1(例如上下两个压扭单元一共用到三个正方形面板1)；最终形成任意行列数的压扭点阵结构。

[0048] 为便于进一步理解本发明技术方案的性能，在此以图1为例，所选加工材料为PA12，所得拼插式模块化压扭点阵结构为3×3×3的几何构型，当受到载荷时，轴向逐渐缓慢压缩，根据压缩位移与所受载荷大小可分为强化、屈服、强化三阶段。

[0049] 随着轴向缓慢压缩的位移增加，每层转角也随之逐渐变大，其扭转角度由上至下逐层递增，如图9所示。载荷‑位移和能量‑位移曲线分别如图10和图11所示。从载荷曲线可以看出，本实施例的压扭点阵结构在受到压缩载荷作用时产生了明显的平台区，有利于结构持续且稳定的吸收能量。而且，压扭点阵结构的压缩和扭转变形模式能够分散冲击载荷，降低载荷初始峰值。