[0001] 本实用新型涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种增材制造点阵夹芯结构。

[0002] 点阵结构是三维有序多孔结构的一种，由周期性的点阵单胞组成。可以通过单胞的构型和几何尺寸设计实现其功能性的调控。点阵结构与桁架结构类似，是由大量的杆件结构在空间内彼此相连组成的，区别在于点阵结构的尺寸要小得多。研究发现，点阵结构与当前常用的轻质材料相比，具有更高的比强度与比刚度。同时由于其内部有大量孔洞连通，具有良好的散热、隔热，减振降噪性能。

[0003] 增材制造点阵夹芯结构因为其复杂性和特殊性，对其进行合理的设计一直是研究热点和难点，针对增材制造点阵夹芯结构的设计，尚无完善的技术方案，限制了增材制造点阵结构的应用与发展。

[0004] 现有技术1公开了一种基于拓扑优化的梯度点阵结构设计方法，该发明可保证结构材料分布合理性；避免拓扑优化过程重复，算法效率高；可适用于复杂几何构型的点阵化设计；可建立支柱尺寸梯度变化的点阵结构。但该发明仅提供了适用于梯度点阵的结构设计方法，并未针对夹芯结构提出蒙皮的设计方法，本专利面向点阵夹芯结构，从蒙皮设计到点阵填充提供了设计方法。

[0005] 现有技术2公开了一种复合型点阵材料及其设计方法，包括在一定载荷条件下对给定的连续体几何结构进行拓扑分析，对几何结构不同区域采用不同的点阵化微结构设计，有效结合了不同点阵类型的结构特征和性能优势，对于形状复杂的零件，点阵填充更加灵活，提高了胞元排布适应性，并减少了胞元数量，提高了点阵化填充效率，进一步减轻了材料重量实现轻量化。但该发明提供了在不同功能区域采用不同点阵微结构设计的方法，而本实用新型提供了针对夹芯结构的力学性能要求，先调整蒙皮厚度，再填充点阵的方法。

[0006] 因此，有必要研究一种增材制造点阵夹芯结构来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。实用新型内容

[0007] 有鉴于此，本实用新型提供了一种增材制造点阵夹芯结构设计方法及结构，能够为采用增材制造工艺制备点阵夹芯结构提供切实可行的设计方案，拓展增材制造点阵结构的应用场景。

[0008] 一方面，本实用新型提供一种增材制造点阵夹芯结构，所述点阵夹芯结构为机身舱门旋转摇臂手柄，所述手柄包括：依次连接的第一端内孔区、第一杆状设计区、限位安装区、第二杆状设计区和第二端内孔区；

[0009] 所述第一杆状设计区和所述第二杆状设计区均包括壳体、包覆在所述壳体外周的蒙皮和设于所述壳体内的点阵夹芯；

[0010] 所述点阵夹芯由若干点阵胞元杆件组成；所述点阵胞元杆件的长度不大于6mm，直径为0.6mm‑3.0mm。

[0011] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述壳体的左右两侧壁为镂空结构，所述镂空结构的筋条宽度为6.0mm‑18.0mm。

[0012] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述手柄的材料是AlSi10Mg。

[0013] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述手柄的‑06 3弹性模量为70000MPa，泊松比为0.34，密度为2.63e Kg/mm。

[0014] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述蒙皮的厚度为0.5mm‑1mm。

[0015] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述镂空结构处的蒙皮厚度为1mm，非镂空区域蒙皮厚度为0.5mm。

[0016] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，应力集中区域蒙皮厚度为1.5mm。

[0017] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述应力集中区域为所述第二杆状设计区的与所述限位安装区连接处起8cm范围内。

[0018] 另一方面，本实用新型提供一种用于制备上述任一所述增材制造点阵夹芯结构的设计方法，所述方法将初始结构(即需点阵填充结构)假设为实心结构进行拓扑优化，再根据拓扑优化的结果对初始结构的蒙皮厚度进行调整，然后通过点阵填充优化在调整后结构的空腔部分填充点阵，完成设计。

[0019] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述方法的具体步骤包括：

[0020] S1、将需填充结构(即初始结构)假设为实心结构，建立几何模型；

[0021] S2、对所述几何模型进行拓扑优化；

[0022] S3、根据优化结果对所述需填充结构进行几何重构，对应力集中处的蒙皮加厚，得到变厚度蒙皮的空腔模型；

[0023] S4、对空腔模型的内部进行点阵填充优化，得到最终的点阵夹芯结构几何模型。

[0024] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S3中空腔模型的空隙部分对应的蒙皮厚度为增材制造工艺范围内的最小值。

[0025] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S4中的优化目标为带权重的总体结构刚度最大。

[0026] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S4中点阵填充优化的约束条件包括：总质量约束、点阵目标长度约束、最小直径约束和/或最大直径约束。

[0027] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S2中的优化目标为带有权重的总体结构应变能最小。

[0028] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S2中拓扑优化的约束条件包括：体分比约束、最小尺寸约束和/或最大尺寸约束。

[0029] 如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述体分比约束具体为体分比小于等于总体积的30％。

[0030] 与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本实用新型将传统拓扑优化、蒙皮厚度调整和点阵填充优化相结合，为需要进行点阵填充零件的增材制造提供完善、有效的设计方法，打破了增材制造点阵结构应用与发展受限的状况。

[0031] 当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

[0038] 为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

[0039] 应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

[0040] 本实用新型的增材制造点阵夹芯结构的设计方法，将初始结构假设为实心结构，进行传统拓扑优化，再根据拓扑优化结果，对初始结构的蒙皮厚度进行调整，最后在结构的空腔部分填充点阵，完成设计，其能够为需进行点阵填充零件提供有效的设计方案。

[0041] 该方法具体包括如下步骤：建立需要进行点阵填充的结构的几何模型，确定该结构的设计区与非设计区；采用传统拓扑优化设计方法对几何模型进行优化，优化目标为带有权重的总体结构应变能最小；将得到的结果进行几何重构，将应力集中部分的蒙皮加厚，空隙部分蒙皮厚度取增材制造工艺范围内的最小值；对上一步得到的空腔结构内部进行点阵填充优化，优化目标为带权重的总体结构刚度最大化；最终得到适用于增材制造的点阵夹芯结构。

[0042] 如图1所示，更进一步地详细步骤包括：

[0043] 步骤1：首先将需填充的结构内部假设为实心结构，建立几何模型，根据结构实际装配情况，确定该结构的设计区与非设计区；

[0044] 步骤2：采用渐进结构拓扑优化设计方法对几何模型的设计区进行优化，优化目标为带有权重的总体结构应变能最小；

[0045] 步骤3：将传统拓扑优化得到的结果进行几何重构，将空隙部分和应力集中部分的蒙皮加厚，非空隙部分蒙皮厚度取增材制造工艺范围内的最小值，得到一个变厚度蒙皮的空腔模型；

[0046] 步骤4：对上一步得到的空腔模型结构内部进行点阵填充优化，优化目标为带权重的总体结构刚度最大化；

[0047] 步骤5：输出最终的点阵夹芯结构的几何模型。

[0048] 下面以一个机身舱门旋转摇臂手柄为例说明本实用新型。如图2所示，该摇臂手柄‑06采用的材料是AlSi10Mg，其弹性模量E＝70000MPa，泊松比Nu＝0.34，密度ρ＝2.63e Kg/
3
mm 。在设计中需要保留手柄与握把配合的内孔，限位器安装位置的方形槽，以及与齿轮轴配合的内孔和销钉孔，以保证结构的安装性能。摇臂的载荷工况输入为作用于握把上的作用力。

[0049] 采用渐进结构拓扑优化设计方法，优化目标为带有权重的总体结构应变能最小；约束条件为优化后体积小于等于优化前体积30％，优化后筋条最小宽度约束6.0mm，最大宽度约束18.0mm。渐进结构拓扑优化设计方法后如图3所示。

[0050] 点阵优化设计在上述传统渐进结构拓扑优化结果的基础上进行，首先将拓扑优化结果重构为空腔结构，即进行重新建模，对所有筋厚度进行调整至1mm，对空隙增加蒙皮，蒙皮厚度为增材制造工艺范围内最小值0.5mm，对筋两侧的蒙皮壁面厚度调整至1mm。筋两侧的蒙皮壁面的应力集中区域(距限位器安装位右侧8mm范围内，左右参照图2的方向，也就是与齿轮轴配合内孔的一侧)加厚至1.5mm。

[0051] 点阵填充优化目标为带权重的总体结构刚度最大化；约束条件为总质量小于等于0.15Kg，点阵目标长度约束6.0mm(即点阵的胞元杆件长度小于等于6mm)，考虑到可制造性，点阵胞元杆件最小直径约束0.6mm，最大直径约束3.0mm，点阵填充目标100％。若干点阵胞元杆件合在一起构成整个点阵夹芯结构，各点阵胞元杆件之间并非严格平行排列，根据其所要达到的整体刚度自行排列。点阵胞元杆件长度采用6.0mm，受设计填充区长度所限无法实现整数个6.0mm长度的点阵胞元杆件时，自动实现小于6.0mm的杆件填充；比如20mm长的填充空间，采用3个完整6.0mm的点阵胞元杆件依次排列，外加一个长度为2.0mm的非完整点阵胞元杆件进行组合。

[0052] 最后输出点阵夹芯结构几何模型，如图5所示，因为在模型重构和点阵填充的过程中考虑了增材制造的工艺约束，因此该点阵夹芯结构的可制造性得到了保证。

[0053] 以上对本申请实施例所提供的一种增材制造点阵夹芯结构及设计方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

[0054] 还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

[0055] 在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“中”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。