一种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与热防护一体化结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种承载隔热一体化结构，具体涉及一种含流道的金字塔微桁架夹芯 板式承载与热防护一体化结构，用于承载与热防护技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着航空航天技术的快速发展，飞行器独特的力学环境和性能要求对材料与结构 设计提出了新的要求:结构的轻质化和多功能集成。传统的设计方案通常是将结构系统与 功能系统分开考虑，即一部分材料用来满足结构的强度、刚度等力学性能的要求，另一部分 材料则用来满足隔热、隔振或电子屏蔽等要求。这将产生大量的与电子设备有关的机箱、电 缆、封装等结构支撑或者与连接器相关的寄生质量，大大提高了飞机设计的整体重量系数。 如果要减小这部分重量及体积，则需要依靠对承力部件进行多功能集成一体化设计。
[0003] 轻质夹芯板式结构具有较好的比刚度、比强度，在航空航天拥有广阔的应用前景。 目前，常见的轻质夹芯结构（如蜂窝板，格栅板等）由于制备工艺的限制，往往尺度较大，结 构重量系数大，结构功能单一，隔热性能难以达到高速飞行器的设计要求。
[0004] 针对现代航空航天领域对于夹芯结构所提出的更高的设计要求，不仅要求轻质高 强，并且要求多功能集成化，因此同时提高夹芯板结构的热防护能力和承载能力已成为未 来飞行器发展一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明为解决上述问题，实现夹芯板结构更好地多功能化、提升热防护性能和降 低结构重量系数，而提供一种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与热防护一体化结构。 本发明采用的技术手段如下：
[0006] -种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与热防护一体化结构，包括至少一个结 构单元，所述结构单元以m X η矩阵形式排列，其中，m和η均为大于等于1的正整数；
[0007] 所述结构单元包括上面板，下面板和位于所述上面板与所述下面板之间的芯子， 所述芯子包括多个微桁架单胞，所述微桁架单胞以2 Χ2Χρ三维点阵形式排列，其中，ρ为大 于等于1的正整数；
[0008] 所述微桁架单胞由两个金字塔型点阵单胞顶部相接而成，所述金字塔型点阵单胞 是由四根横截面呈圆形的杆件构成的金字塔型结构，相邻所述微桁架单胞之间通过所述杆 件连接，
[0009] 所述上面板的左右两端分别设有向所述芯子方向延伸的流道壁板，所述流道壁板 远离所述上面板的一端相互固定连接。
[0010] 所述上面板与所述下面板均与水平面平行，且在水平面上的正投影均为正方形， 所述芯子的整体呈正四棱柱形，所述正四棱柱的四个顶点在水平面上的正投影落在所述正 方形相应的顶点上。
[0011] 所述上面板和两个所述流道壁板围合而成的流道的横截面呈倒等腰梯形状，所述 流道壁板为所述倒等腰梯形的腰，
[0012] 工作状态下，所述流道内通入冷却液。
[0013] 相邻所述流道壁板之间的夹角为60°-120°。
[0014]所述杆件与水平面的夹角为35°-65°。
[0015] 所述上面板的厚度为0.5-lmm，所述下面板的厚度为0.5-lmm，所述芯子的厚度为 6-14mm，所述流道壁板的厚度为0.5-lmm，所述杆件的直径为0.5-1。
[0016] 所述一体化结构的材质为钛、铁、铝、镁、铜、钛合金、铁合金、铝合金、镁合金或铜 合金中的一种。
[0017] 所述一体化结构通过增材制造技术制备，其制备过程为确定所述一体化结构的各 部分尺寸，根据各部分尺寸通过制图软件建立结构几何模型，并将模型数据保存为STL格式 的文件，将STL文件输入到3D打印机中，并选择所述一体化结构的材质，所述3D打印机读入 模型数据后进行所述一体化结构的制备。
[0018] 增材制造 (Additive Manufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实 体零件的技术，相对于传统的材料去除一切削加工技术，是一种"自下而上"的制造方法。近 二十年来，AM技术取得了快速的发展，"快速原型制造 (Rapid Prototyping)"、"三维打印 (3D Printing)"、"实体自由制造 (Solid Free-form Fabrication)"之类各异的叫法分别 从不同侧面表达了这一技术的特点。
[0019] 本发明具有以下优点：
[0020] 1、本发明的芯子包括多个微桁架单胞结构，这种设计能同时提高本发明的承载能 力、抗缺陷能力和抗冲击防护能力；
[0021] 2、本发明采用流道散热的方式进行主动散热，流道布置于近热源处(上面板）以进 一步提升散热效果，通过调节冷却液流速，可以高效地控制下面板的温度在一个合适的范 围内。相比于夹芯板内部为整体流道的设计而言，单独的流道设计更有利于控制密封性，并 且减少流体用量以降低结构整体重量系数；
[0022] 3、本发明的上下面板厚度、杆件直径以及杆件与水平面的夹角均可进行设计，通 过调整可以获得所需的最佳性能。
[0023]基于上述理由本发明可在承载与热防护等领域广泛推广。
【附图说明】
[0024]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0025] 图1是本发明的【具体实施方式】中的一种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与热 防护一体化结构的结构示意图。
[0026] 图2是本发明的【具体实施方式】中的结构单元的空间结构示意图。
[0027] 图3是本发明的【具体实施方式】中的结构单元的正视图。
[0028] 图4是本发明的【具体实施方式】中的结构单元的侧视图。
[0029]图5是本发明的【具体实施方式】中的结构单元的俯视图。
[0030]图6是本发明的【具体实施方式】中的微桁架单胞。
【具体实施方式】
[0031] 如图1-图6所示，一种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与热防护一体化结构， 包括16个结构单元1，所述结构单元1以4 X 4矩阵形式排列；
[0032] 所述结构单元1包括上面板2,下面板3和位于所述上面板2与所述下面板3之间的 芯子4,所述芯子4包括8个微桁架单胞41，所述微桁架单胞41以2 X 2 X 2三维点阵形式排列； [0033]所述微桁架单胞41由两个金字塔型点阵单胞411顶部相接而成，所述金字塔型点 阵单胞411是由四根横截面呈圆形的杆件4111构成的金字塔型结构，相邻所述微桁架单胞 41之间通过所述杆件4111连接，
[0034] 所述上面板2的左右两端分别设有向所述芯子4方向延伸的流道壁板5,所述流道 壁板5远离所述上面板2的一端相互固定连接。
[0035] 所述上面板2和两个所述流道壁板5围合而成的流道的横截面呈倒等腰梯形状。 [0036]相邻所述流道壁板5之间的夹角为90°。
[0037]所述杆件4111与水平面的夹角为45°。
[0038] 所述上面板2的厚度为1mm，所述下面板3的厚度为1mm，所述芯子4的厚度为8mm，本 实施例中，所述金字塔型点阵单胞411呈正金字塔型，即所述金字塔型点阵单胞411的每个 侧面均为正三角形，从而得到所述杆件4111的长度为2&mm，所述流道壁板5的厚度为 Imm，所述杆件4111的直径为0.7。
[0039] 根据上述各部分尺寸通过制图软件建立结构几何模型，并将模型数据保存为STL 格式的文件，将STL文件输入到3D打印机中，并选择所述一体化结构的材质为钛合金，所述 3D打印机读入模型数据后进行所述一体化结构的制备。
[0040] 经力学性能测试，本实施方式获得的一种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与 热防护一体化结构，制作尺度为16士(长)χ16λ/^(宽）xl0(高）mm，平压极限承载能力达 到8吨，上面板2施加温度800K，流道内水温为300K，当流道入口流速达到0.12m/s时，下层板 3温度低于365K，具有非常良好的承载和热防护能力。
[0041]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与热防护一体化结构，其特征在于:包括 至少一个结构单元，所述结构单元以mXn矩阵形式排列，其中，m和η均为大于等于1的正整 数； 所述结构单元包括上面板，下面板和位于所述上面板与所述下面板之间的芯子，所述 芯子包括多个微桁架单胞，所述微桁架单胞以2 X 2 Xρ三维点阵形式排列，其中，ρ为大于等 于1的正整数； 所述微桁架单胞由两个金字塔型点阵单胞顶部相接而成，所述金字塔型点阵单胞是由 四根横截面呈圆形的杆件构成的金字塔型结构，相邻所述微桁架单胞之间通过所述杆件连 接， 所述上面板的左右两端分别设有向所述芯子方向延伸的流道壁板，所述流道壁板远离 所述上面板的一端相互固定连接。2. 根据权利要求1所述的一体化结构，其特征在于:所述上面板和两个所述流道壁板围 合而成的流道的横截面呈倒等腰梯形状。3. 根据权利要求1所述的一体化结构，其特征在于：相邻所述流道壁板之间的夹角为 60°-120°。4. 根据权利要求1所述的一体化结构，其特征在于:所述杆件与水平面的夹角为35°-65。。5. 根据权利要求1所述的一体化结构，其特征在于:所述上面板的厚度为0.5-lmm，所述 下面板的厚度为0.5-lmm，所述芯子的厚度为6-14mm，所述流道壁板的厚度为0.5-lmm，所述 杆件的直径为〇. 5-1。6. 根据权利要求1所述的一体化结构，其特征在于：所述一体化结构的材质为钛、铁、 错、镁、铜、钛合金、铁合金、错合金、镁合金或铜合金中的一种。7. 根据权利要求1-6任一权利要求所述的一体化结构，其特征在于:所述一体化结构通 过增材制造技术制备。
【专利摘要】本发明公开了一种含流道的金字塔微桁架夹芯板式承载与热防护一体化结构，包括至少一个结构单元，所述结构单元包括上面板，下面板和芯子，所述芯子包括多个微桁架单胞，所述微桁架单胞由两个金字塔型点阵单胞顶部相接而成，所述金字塔型点阵单胞是由四根横截面呈圆形的杆件构成的金字塔型结构，所述上面板的左右两端分别设有向所述芯子方向延伸的流道壁板。本发明具有同时提高本发明的承载能力、抗缺陷能力和抗冲击防护能力，采用流道布置于近热源处，进一步提升散热效果，通过调节冷却液流速，可以高效地控制下面板的温度在一个合适的范围内，更有利于控制密封性，减少流体用量以降低结构整体重量系数，可通过调整各部分尺寸获得最佳性能。
【IPC分类】B64G1/52, B64G1/22
【公开号】CN105667837
【申请号】CN201610012099
【发明人】刘书田, 陈文炯, 吴斌, 张永存, 吴书豪, 王向明
【申请人】大连理工大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月8日