一种基于增材制造的零膨胀减隔振一体化超材料结构

技术领域

本发明涉及一种零膨胀减隔振一体化超材料结构，用以同时实现被动热变形控制与被动振动控制，属于轻量化多功能结构技术领域。

背景技术

新一代航天器具有高分辨、强机动、高姿态稳定度等特点，对于航天器结构的材料-结构-功能一体化提出了迫切需求。如何在满足轻量化要求前提下，提升结构在空间环境中的热尺寸稳定性和减隔振特性，具有重要的研究价值。近年来，随着增材制造技术的发展，三维超材料结构因其具有高比承载、高比刚度等力学特性，以及其功能可设计参数多、可调控范围广等特点，打破了传统单一尺度、单一功能结构的设计局限，为轻量化多功能结构研制提供了新的技术途径。

目前国内外已有的零膨胀超材料(或“近零膨胀”超材料)主要基于热变形失配原理。结构受热后各部分产生非均匀热变形，使某些固定点的热位移量极小，使结构整体的等效热膨胀系数小于母体材料本身的热膨胀系数。这些零膨胀超材料通常不具备振动控制功能，在微振动影响下将失去热变形调控能力。

目前国内外研制的减隔振超材料，通常基于局域共振原理或准零刚度原理。当结构受到外部激励时，内部微结构发生局部振动耗散机械能，保证仪器固有振动不通过基座向外传播，保证基体振动不通过基座传向精密仪器。这些减隔振超材料的等效刚度往往较零，在热载荷作用下有可能发生较大的形状畸变。

综上所述，有必要开发一种兼具零膨胀和减隔振功能的超材料结构。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种兼具零等效热膨胀系数和宽零频隔振功能的超材料结构，克服了现有超材料功能分离的缺陷，能够兼具零膨胀和减隔振功能。

本发明的技术解决方案是：

一种基于增材制造的零膨胀减隔振一体化超材料结构，包括多个零膨胀减隔振胞元；零膨胀减隔振胞元包括内部框架和外部框架，内部框架包括四个端部连接到一起的支撑部，外部框架连接于支撑部的另一端且套设于支撑部外部；内部框架的热膨胀系数小于外部框架的热膨胀系数的50％。

所述支撑部相互连接的一端为中心端、另一端为末端，外部框架位于两个相邻支撑部末端之间部分的中部为胞元连接点，胞元连接点向远离中心端的一侧凸起。

所述零膨胀减隔振胞元正置正交周期性排列；相邻零膨胀减隔振胞元之间连接有胞元连接杆，胞元连接杆连接于胞元连接点；零膨胀减隔振胞元周期性排列后，用于填充于各类承载框架内部，不影响承载框架本身的连接关系，外部框架的中心线与载荷运动方向不一致。

所述外部框架在两个相邻支撑部末端之间部分的形状为正弦曲线，改变正弦曲线的弦高和框架宽度，可以调整胞元局域共振频率范围。

所述正弦曲线为y＝l

所述外部框架在两个相邻支撑部末端之间部分为正弦曲线的1/2周期，外部框架在两个相邻支撑部末端之间部分的中部为正弦曲线的弦高最大位置。

所述l

所述内部框架的厚度w

所述内部框架为正交十字形，改变内部框架的宽度w

所述内部框架为钛合金材质，外部框架为铝合金材质。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

(1)采用一种超材料胞元，同时实现热变形控制与振动控制，避免了异种胞元功能耦合、功能干扰等设计难题。(2)超材料胞元可周期性延拓，因此零膨胀-减隔振胞元的构型设计不受整体结构拓扑关系的影响。(3)结构形式简单，方便与异质材料增材制造等技术结合，实现大型多功能结构一体化制造。

附图说明

图1为本发明提供的超材料胞元结构示意图；

图2为本发明提供的超材料胞元周期性延拓方法示意图。

附图标记说明：1、内部框架；2、外部框架；3、胞元连接点；4、零膨胀减隔振胞元；5、连接杆；

图2中的曲线6为外部框架曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

本申请实施例公开一种基于增材制造的零膨胀减隔振一体化超材料结构，如图1和图2所示，包括多个零膨胀减隔振胞元4。

零膨胀减隔振胞元4包括内部框架1和外部框架2，内部框架1包括四个端部连接到一起的支撑部，外部框架2连接于支撑部的另一端且套设于支撑部外部；内部框架1的热膨胀系数小于外部框架2热膨胀系数的50％。本实施例中，内部框架1为钛合金材质，外部框架2为铝合金材质。

支撑部相互连接的一端为中心端、另一端为末端，外部框架2位于两个相邻支撑部末端之间部分的中部为胞元连接点3，胞元连接点3向远离中心端的一侧凸起。本实施例中，内部框架1为正交十字形，改变内部框架1宽度可以调整胞元等效热膨胀系数。

多个零膨胀减隔振胞元4之间正置正交周期性排列，如图2所示；相邻零膨胀减隔振胞元4之间连接有胞元连接杆5，胞元连接杆5连接于胞元连接点3。零膨胀减隔振胞元4周期性排列后，可填充于各类承载框架内部，不影响承载框架本身的连接关系。且零膨胀减隔振胞元4进行使用时，其位置满足：外部框架2的中心线与载荷运动方向不一致。

外部框架2在两个相邻支撑部末端之间部分的形状为正弦曲线，改变正弦曲线的弦高和框架宽度，可以调整胞元局域共振频率范围。正弦曲线为y＝l

通过上述技术方案，选用具有特定热膨胀系数差异的内部框架1和外部框架2，设计零膨胀系数超材料胞元的结构，并调整超材料胞元局部几何特征，如曲率、宽度、长度等，使胞元具备隔振功能；在零膨胀固定点处为胞元添加连接杆5，实现胞元周期性延拓；根据外载荷条件，调整周期性超材料结构的排布方式，使结构在外载作用下仍然具备零膨胀和减隔振功能。

上述一体化超材料结构的设计方法为：

步骤1：根据胞元连接点3的目标热膨胀系数，设计内部框架1和外部框架2的整体构型，两种框架共同组成超材料胞元。胞元中内部框架1和外部框架2的位置可根据具体设计方案进行调换，也可以选用其他两种热膨胀系数差异较大的材料作为母材。

步骤2：调整铝合金框架厚度w

步骤3：利用有限元分析，校核超材料胞元连接点3的等效热膨胀系数。

步骤4：利用有限元分析，在胞元左侧施加按正弦波形随时间变化的位移边界条件，校核胞元右侧振动响应。

步骤5：在胞元连接点3处添加连接杆5，在面内周期性阵列。

本申请的实施原理为：

将零膨胀减隔振胞元4周期性排列后，填充于各类承载框架内部，不影响承载框架本身的连接关系。零膨胀减隔振胞元4本身的等效热膨胀系数接近零，使填充承载框架的等效热膨胀系数也接近零；零膨胀减隔振胞元4在特定频率振动激励下发生局域共振，填充承载框架在这些激振频率下工作时，振动能量被胞元局域共振耗散，不会通过承载框架继续传播，起到振动隔离的效果。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。