一種含流道的金字塔微桁架夾芯板式承載與熱防護一體化結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種承載隔熱一體化結構，具體涉及一種含流道的金字塔微桁架夾芯 板式承載與熱防護一體化結構，用于承載與熱防護技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著航空航天技術的快速發(fā)展，飛行器獨特的力學環(huán)境和性能要求對材料與結構 設計提出了新的要求:結構的輕質化和多功能集成。傳統(tǒng)的設計方案通常是將結構系統(tǒng)與 功能系統(tǒng)分開考慮，即一部分材料用來滿足結構的強度、剛度等力學性能的要求，另一部分 材料則用來滿足隔熱、隔振或電子屏蔽等要求。這將產(chǎn)生大量的與電子設備有關的機箱、電 纜、封裝等結構支撐或者與連接器相關的寄生質量，大大提高了飛機設計的整體重量系數(shù)。 如果要減小這部分重量及體積，則需要依靠對承力部件進行多功能集成一體化設計。
[0003] 輕質夾芯板式結構具有較好的比剛度、比強度，在航空航天擁有廣闊的應用前景。 目前，常見的輕質夾芯結構（如蜂窩板，格柵板等）由于制備工藝的限制，往往尺度較大，結 構重量系數(shù)大，結構功能單一，隔熱性能難以達到高速飛行器的設計要求。
[0004] 針對現(xiàn)代航空航天領域對于夾芯結構所提出的更高的設計要求，不僅要求輕質高 強，并且要求多功能集成化，因此同時提高夾芯板結構的熱防護能力和承載能力已成為未 來飛行器發(fā)展一個亟待解決的問題。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明為解決上述問題，實現(xiàn)夾芯板結構更好地多功能化、提升熱防護性能和降 低結構重量系數(shù)，而提供一種含流道的金字塔微桁架夾芯板式承載與熱防護一體化結構。 本發(fā)明采用的技術手段如下：
[0006] -種含流道的金字塔微桁架夾芯板式承載與熱防護一體化結構，包括至少一個結 構單元，所述結構單元以m X η矩陣形式排列，其中，m和η均為大于等于1的正整數(shù)；
[0007] 所述結構單元包括上面板，下面板和位于所述上面板與所述下面板之間的芯子， 所述芯子包括多個微桁架單胞，所述微桁架單胞以2 Χ2Χρ三維點陣形式排列，其中，ρ為大 于等于1的正整數(shù)；
[0008] 所述微桁架單胞由兩個金字塔型點陣單胞頂部相接而成，所述金字塔型點陣單胞 是由四根橫截面呈圓形的桿件構成的金字塔型結構，相鄰所述微桁架單胞之間通過所述桿 件連接，
[0009] 所述上面板的左右兩端分別設有向所述芯子方向延伸的流道壁板，所述流道壁板 遠離所述上面板的一端相互固定連接。
[0010] 所述上面板與所述下面板均與水平面平行，且在水平面上的正投影均為正方形， 所述芯子的整體呈正四棱柱形，所述正四棱柱的四個頂點在水平面上的正投影落在所述正 方形相應的頂點上。
[0011] 所述上面板和兩個所述流道壁板圍合而成的流道的橫截面呈倒等腰梯形狀，所述 流道壁板為所述倒等腰梯形的腰，
[0012] 工作狀態(tài)下，所述流道內通入冷卻液。
[0013] 相鄰所述流道壁板之間的夾角為60°-120°。
[0014]所述桿件與水平面的夾角為35°-65°。
[0015] 所述上面板的厚度為0.5-lmm，所述下面板的厚度為0.5-lmm，所述芯子的厚度為 6-14mm，所述流道壁板的厚度為0.5-lmm，所述桿件的直徑為0.5-1。
[0016] 所述一體化結構的材質為鈦、鐵、鋁、鎂、銅、鈦合金、鐵合金、鋁合金、鎂合金或銅 合金中的一種。
[0017] 所述一體化結構通過增材制造技術制備，其制備過程為確定所述一體化結構的各 部分尺寸，根據(jù)各部分尺寸通過制圖軟件建立結構幾何模型，并將模型數(shù)據(jù)保存為STL格式 的文件，將STL文件輸入到3D打印機中，并選擇所述一體化結構的材質，所述3D打印機讀入 模型數(shù)據(jù)后進行所述一體化結構的制備。
[0018] 增材制造 (Additive Manufacturing，AM)技術是采用材料逐漸累加的方法制造實 體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除一切削加工技術，是一種"自下而上"的制造方法。近 二十年來，AM技術取得了快速的發(fā)展，"快速原型制造 (Rapid Prototyping)"、"三維打印 (3D Printing)"、"實體自由制造 (Solid Free-form Fabrication)"之類各異的叫法分別 從不同側面表達了這一技術的特點。
[0019] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0020] 1、本發(fā)明的芯子包括多個微桁架單胞結構，這種設計能同時提高本發(fā)明的承載能 力、抗缺陷能力和抗沖擊防護能力；
[0021] 2、本發(fā)明采用流道散熱的方式進行主動散熱，流道布置于近熱源處(上面板）以進 一步提升散熱效果，通過調節(jié)冷卻液流速，可以高效地控制下面板的溫度在一個合適的范 圍內。相比于夾芯板內部為整體流道的設計而言，單獨的流道設計更有利于控制密封性，并 且減少流體用量以降低結構整體重量系數(shù)；
[0022] 3、本發(fā)明的上下面板厚度、桿件直徑以及桿件與水平面的夾角均可進行設計，通 過調整可以獲得所需的最佳性能。
[0023]基于上述理由本發(fā)明可在承載與熱防護等領域廣泛推廣。
【附圖說明】
[0024]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0025] 圖1是本發(fā)明的【具體實施方式】中的一種含流道的金字塔微桁架夾芯板式承載與熱 防護一體化結構的結構示意圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明的【具體實施方式】中的結構單元的空間結構示意圖。
[0027] 圖3是本發(fā)明的【具體實施方式】中的結構單元的正視圖。
[0028] 圖4是本發(fā)明的【具體實施方式】中的結構單元的側視圖。
[0029]圖5是本發(fā)明的【具體實施方式】中的結構單元的俯視圖。
[0030]圖6是本發(fā)明的【具體實施方式】中的微桁架單胞。
【具體實施方式】
[0031] 如圖1-圖6所示，一種含流道的金字塔微桁架夾芯板式承載與熱防護一體化結構， 包括16個結構單元1，所述結構單元1以4 X 4矩陣形式排列；
[0032] 所述結構單元1包括上面板2,下面板3和位于所述上面板2與所述下面板3之間的 芯子4,所述芯子4包括8個微桁架單胞41，所述微桁架單胞41以2 X 2 X 2三維點陣形式排列； [0033]所述微桁架單胞41由兩個金字塔型點陣單胞411頂部相接而成，所述金字塔型點 陣單胞411是由四根橫截面呈圓形的桿件4111構成的金字塔型結構，相鄰所述微桁架單胞 41之間通過所述桿件4111連接，
[0034] 所述上面板2的左右兩端分別設有向所述芯子4方向延伸的流道壁板5,所述流道 壁板5遠離所述上面板2的一端相互固定連接。
[0035] 所述上面板2和兩個所述流道壁板5圍合而成的流道的橫截面呈倒等腰梯形狀。 [0036]相鄰所述流道壁板5之間的夾角為90°。
[0037]所述桿件4111與水平面的夾角為45°。
[0038] 所述上面板2的厚度為1mm，所述下面板3的厚度為1mm，所述芯子4的厚度為8mm，本 實施例中，所述金字塔型點陣單胞411呈正金字塔型，即所述金字塔型點陣單胞411的每個 側面均為正三角形，從而得到所述桿件4111的長度為2&mm，所述流道壁板5的厚度為 Imm，所述桿件4111的直徑為0.7。
[0039] 根據(jù)上述各部分尺寸通過制圖軟件建立結構幾何模型，并將模型數(shù)據(jù)保存為STL 格式的文件，將STL文件輸入到3D打印機中，并選擇所述一體化結構的材質為鈦合金，所述 3D打印機讀入模型數(shù)據(jù)后進行所述一體化結構的制備。
[0040] 經(jīng)力學性能測試，本實施方式獲得的一種含流道的金字塔微桁架夾芯板式承載與 熱防護一體化結構，制作尺度為16士(長)χ16λ/^(寬）xl0(高）mm，平壓極限承載能力達 到8噸，上面板2施加溫度800K，流道內水溫為300K，當流道入口流速達到0.12m/s時，下層板 3溫度低于365K，具有非常良好的承載和熱防護能力。
[0041]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，根據(jù)本發(fā)明的技術方案及其 發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種含流道的金字塔微桁架夾芯板式承載與熱防護一體化結構，其特征在于:包括 至少一個結構單元，所述結構單元以mXn矩陣形式排列，其中，m和η均為大于等于1的正整 數(shù)； 所述結構單元包括上面板，下面板和位于所述上面板與所述下面板之間的芯子，所述 芯子包括多個微桁架單胞，所述微桁架單胞以2 X 2 Xρ三維點陣形式排列，其中，ρ為大于等 于1的正整數(shù)； 所述微桁架單胞由兩個金字塔型點陣單胞頂部相接而成，所述金字塔型點陣單胞是由 四根橫截面呈圓形的桿件構成的金字塔型結構，相鄰所述微桁架單胞之間通過所述桿件連 接， 所述上面板的左右兩端分別設有向所述芯子方向延伸的流道壁板，所述流道壁板遠離 所述上面板的一端相互固定連接。2. 根據(jù)權利要求1所述的一體化結構，其特征在于:所述上面板和兩個所述流道壁板圍 合而成的流道的橫截面呈倒等腰梯形狀。3. 根據(jù)權利要求1所述的一體化結構，其特征在于：相鄰所述流道壁板之間的夾角為 60°-120°。4. 根據(jù)權利要求1所述的一體化結構，其特征在于:所述桿件與水平面的夾角為35°-65。。5. 根據(jù)權利要求1所述的一體化結構，其特征在于:所述上面板的厚度為0.5-lmm，所述 下面板的厚度為0.5-lmm，所述芯子的厚度為6-14mm，所述流道壁板的厚度為0.5-lmm，所述 桿件的直徑為〇. 5-1。6. 根據(jù)權利要求1所述的一體化結構，其特征在于：所述一體化結構的材質為鈦、鐵、 錯、鎂、銅、鈦合金、鐵合金、錯合金、鎂合金或銅合金中的一種。7. 根據(jù)權利要求1-6任一權利要求所述的一體化結構，其特征在于:所述一體化結構通 過增材制造技術制備。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含流道的金字塔微桁架夾芯板式承載與熱防護一體化結構，包括至少一個結構單元，所述結構單元包括上面板，下面板和芯子，所述芯子包括多個微桁架單胞，所述微桁架單胞由兩個金字塔型點陣單胞頂部相接而成，所述金字塔型點陣單胞是由四根橫截面呈圓形的桿件構成的金字塔型結構，所述上面板的左右兩端分別設有向所述芯子方向延伸的流道壁板。本發(fā)明具有同時提高本發(fā)明的承載能力、抗缺陷能力和抗沖擊防護能力，采用流道布置于近熱源處，進一步提升散熱效果，通過調節(jié)冷卻液流速，可以高效地控制下面板的溫度在一個合適的范圍內，更有利于控制密封性，減少流體用量以降低結構整體重量系數(shù)，可通過調整各部分尺寸獲得最佳性能。
【IPC分類】B64G1/52, B64G1/22
【公開號】CN105667837
【申請?zhí)枴緾N201610012099
【發(fā)明人】劉書田, 陳文炯, 吳斌, 張永存, 吳書豪, 王向明
【申請人】大連理工大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月8日