中国科学院力学研究所：用于弯曲夹层结构的自适应三维晶格

供稿人：张道康、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

作为承重的重要组成部分，点阵夹层结构由两层蒙皮和一个厚的低密度内芯组成，具有高比刚度，高比强度、能量吸收、多功能集成特性，但是晶格核心对弯曲表皮的适应性以制造具有复杂形状的夹层结构一直是主要问题限制了晶格夹层结构从实验室走向工程领域。近年来，增材制造技术的发展使得实现多种复杂结构的快速原型制作成为可能。中国科学院力学研究所宋洪文团队提出了一种通过释放相邻晶格单元的公共节点旋转自由度的固定方法制造弯曲晶格夹层，其中晶格芯的设计只需要考虑单元的大小和数量，可以自适应蒙皮的形状，该方案具有标准化生产具有优异机械性能的弯曲三维晶格夹层结构的潜力。

图1 适用于复杂曲面的自适应晶格设计

该方案采用晶格与晶格之间用固定销进行铰接，因此晶格与晶格之间可以发生旋转，晶格核心的可旋转特性使节点平台灵活地接触复杂曲面的表皮。具有大批量生产的晶格芯的自适应能力如图1所示。这种可以在不同方向进行扩展的晶格内芯可视为一种新型材料体系。它就像一块柔软的布一样可以进行裁剪，可以进行大批量的生成。在一定载荷下，这种晶格材料卷对复杂曲面蒙皮具有自适应性，从而完成具有三维晶格芯的曲面夹层结构的制作，如图所示，对于平面、转角和曲面均有较好的适应性。

图2 可自适应变形的弯曲夹层结构

通过增材制造技术来制造晶格夹层曲面结构。如图 2所示，为八面体晶格夹层结构的装配过程和自适应变形。分别进行蒙皮与内层晶格结构的打印，然后通过固定位置节点进行粘接形成三维晶格夹层结构。当夹层晶格结构受到一定载荷后，内部铰接的八面体晶格核心可根据内外蒙皮的形状的变化进行自适应调整，与蒙皮接触的节点相对位置不发生变化，不会造成晶格结构与内外蒙皮的脱离。

该研究提出了一种用于制造弯曲夹层结构的固定三维晶格。通过相邻单元的节点中的旋转自由度，可以实现更复杂空间结构设计。晶格内层可随内外蒙皮自适应调整，形成可变形圆柱型的弧形晶格夹层。该方案为工程应用中具有曲面蒙皮的大尺寸三维晶格夹层结构的制造提供了新的制造思路。

参考文献：
Shuai K, Wl C, Jwa B, et al. Self-adaptive pinned 3D lattice for curved sandwich structures[J]. Additive Manufacturing, 2022.