一种高承载点阵轻量化连杆结构及其应用的制作方法

本发明涉及飞机结构设计技术领域，具体涉及一种高承载点阵轻量化连杆结构及其应用。

背景技术：

目前，飞机结构轻量化技术主要从结构设计优化、制造工艺、使用高性能轻质材料替代传统材料三个方向发展。复合材料在飞机结构上应用已有数十年历史，对于飞机性能的提升取得了革命性的成功。近年，增材制造工艺的发展，对于飞机产品而言又提出了新的挑战与机遇。增材制造工艺的出现极大的推动了设计与制造同时优化技术的发展。

传统飞机主承载连杆多为传统金属机加结构，存在结构重量较大，重量占部段重量比例高等问题。结合增材制造技术，借助晶体点阵概念，重构高承载连杆结构剖面，形成芯层为周期性重复单元的空间杆结构，进一步降低高承载连杆结构重量，对于优化整个部段结构，提升飞机性能具有重要意义。

现有技术方案中，如图1所示，专利“attachmentfittingforcompositematerialstructures”，申请号：us19990378563提供一种复合材料杆与金属波纹接头的连接结构。利用复合材料代替金属以达到减轻重量的目的，复合材料杆与接头之间的连接和载荷传递是通过波浪形的连接实现，为一种分体组合的杆类结构。分体式接头连杆需通过紧固件进行机械连接，接触配合面多，装配复杂且需考虑不同材料之间的相容性。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提供一种高承载点阵轻量化连杆结构，该连杆结构在保证连杆结构各方面性能的同时，实现了连杆结构的轻量化。此外，本发明专利中连杆结构为一体化优化设计，通过点阵格栅结构减重，以增材制造方法实现加工成型。

根据本发明的第一方面，提供一种高承载点阵轻量化连杆结构，所述高承载点阵轻量化连杆结构包括：

环形杆段，包括内蒙皮、外蒙皮以及位于内外蒙皮之间的环形中间结构；

第一连接端和第二连接端，位于环形杆段两端，用于连接传载接头，

其中，所述环形中间结构为采用八面体点阵胞元的环形空间点阵网络结构。

进一步的，所述环形空间点阵网络结构由n个相互连接的八面体点阵胞元组成，使八面体点阵胞元在x、y、z三个方向进行延拓，成为空间点阵结构，n≥3且为整数进一步的，所述八面体点阵胞元包含12根连杆，相邻连杆间成60度夹角，12根连杆的空间状态依据拓扑准则进行设置，具有6组不同方向的连续连杆，形成拉伸主导型胞元。

进一步的，所述八面体点阵胞元的单根连杆的杆细比为1:10。

进一步的，所述环形空间点阵网络结构与内外蒙皮一体化成型。

进一步的，所述环形空间点阵网络结构包括第一环形空间点阵网络结构和第二环形空间点阵网络结构，所述环形空间点阵网络结构和第二环形空间点阵网络结构之间设有环形中间层。

进一步的，所述环形空间点阵网络结构中设有多个加强筋，所述多个加强筋均匀分布于环形空间点阵网络结构截面上，设置于内蒙皮和外蒙皮之间。

进一步的，所述第一连接端和第二连接端为叉耳接头结构。

进一步的，所述叉耳接头结构与所述环形杆段圆滑过渡。

进一步的，所述环形杆段为等直环形截面结构。

进一步的，所述高承载点阵轻量化连杆结构采用ti-ti64钛合金材料，采用激光增材制造工艺一体化成型。

根据本发明的第二方面，提供一种根据以上任一方面所述的高承载点阵轻量化连杆结构的成型方法，所述高承载点阵轻量化连杆结构采用ti-ti64钛合金材料，采用激光增材制造工艺一体化成型：通过工艺仿真软件对轻量化连杆结构数模进行工艺性分析，补充打印支撑结构，导入激光选区熔化软件中进行切片，在基板上逐层烧结直到构件成形。

根据本发明的第二方面，提供一种根据以上任一方面所述的高承载点阵轻量化连杆结构在发动机吊挂中的应用，所述高承载点阵轻量化连杆结构连接在两个传载接头之间。

本发明的有益效果：

(1)金属点阵材料的密度大大低于传统固体金属结构，在低密度高孔隙率情况下，其比强度、比刚度都远高于传统金属材料，承载效率大大提高。本发明实现了将传统实体金属结构与点阵形成的微观立体桁架单元的完美结合。

(2)本发明提出的八面体空间点阵胞元，空间状态依据拓扑原则，通过拓扑优化构件传力路径，形成拉伸主导型胞元，主要由骨架单元的轴向变形效应承担载荷，以拉伸为主导，使其符合发动机吊挂下连杆的受力形式和特点，并通过尺寸优化，优化其单元密度及截面形式，减轻结构重量。

(3)传统高承载连杆一般为高强钢机加成形，本发明通过点阵拓扑轻量化技术，实现了在保证高承载连杆结构功能性的同时，采用ti-t64钛合金材料，实体结构和空间点阵结构的结合，显著的减轻了连杆的结构重量，对于包含高承载连杆结构部段的整体优化，提升部段的性能具有良好的效益。

附图说明

本发明上述结构特征或优点，结合下面附图将变得明显和更容易理解，其中：

图1为现有技术中分体组合的杆类结构；

图2为本发明实施方式的高承载点阵轻量化连杆结构示意图；

图3a至图3c为本发明实施方式的高承载点阵轻量化连杆两种不同的环形杆段剖面示意图；

图4a为本发明实施方式的高承载点阵轻量化连杆空间点阵结构图；图4b点阵胞元延拓示意图；

图5本发明实施方式的高承载点阵轻量化连杆装配应用示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。附图中相同或类似的标号始终表示相同或类似的结构特征。

另外，下面结合附图描述的本发明的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而并非对本发明的限制。

增材制造技术是基于离散-堆积原理的零件制造方法，不同于传统减材料制造，近年来，越来越得到更广泛的应用。其综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高新技术，材料利用率高、技术复杂程度高、无需模型或模具、生产效率高是其主要优势。

并且增材制造在向大尺寸构件制造方向发展，采用增材制造方法替代传统的机械加工制造方法，以合金粉末或丝材为原料，可通过高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐层堆积，从零件数字模型一步完成全致密、高性能大型复杂金属结构件的直接净成形制造。

在本发明实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“上”、“下”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，仅是为了便于描述本发明实施方式和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

根据本发明技术方案的高承载点阵轻量化连杆结构包括：两个叉耳接头、环形杆段，两个叉耳接头分别位于环形杆段前后两端，用于连接传载接头；环形杆段可包含内蒙皮、环形中间结构(芯层)、中间层、加强筋、外蒙皮。叉耳接头与环形杆段圆滑过渡。

环形杆段为等直环形截面结构，包含内蒙皮、芯层、中间层、加强筋、外蒙皮等结构特征。

芯层为空间点阵网络结构，与内蒙皮、外蒙皮一体化成型。芯层点阵采用八面体点阵胞元，由n个相互连接的八面体点阵胞元组成，使八面体点阵胞元在x、y、z三个方向进行延拓，成为空间点阵结构。八面体胞元为多连杆结构，包含12根连杆，相邻连杆间成60度夹角，空间状态依据拓扑准则，具有6组不同方向的连续连杆，形成拉伸主导型胞元。

该高承载点阵轻量化连杆结构可采用ti-ti64钛合金材料，采用激光增材制造工艺一体化成型。

实施例

参照图2、图3a至图3c、图5，本发明实施方式提供了一种高承载点阵轻量化连杆结构，包括环形杆段1、叉耳接头2，其特征在于：叉耳接头2包含两端，分别用于连接传载接头；环形杆段1包含外蒙皮11、芯层12、中间层13、加强筋14、内蒙皮15。所述叉耳接头与所述环形杆段圆滑过渡。

参照图2，本发明实施方式提供的一种高承载点阵轻量化连杆结构采用ti-ti64钛合金材料，采用激光增材制造工艺一体化成型。

参照图3a至图3c，环形杆1为等直环形截面结构，包含外蒙皮11、芯层12、中间层13、加强筋14、内蒙皮15。图中示出的所述环形杆1的截面形式为满足该结构功能的一种或几种，其他截面特征的组合在不脱离本发明实施例的前提下，还可以做出若干简单变化、修改、替换和变型，都应当视为属于本发明的保护范围。

参照图4a至图4b，芯层12为空间点阵结构，与所述外蒙皮11、内蒙皮15一体化成型。芯层12点阵采用八面体点阵胞元121，由n个相互连接的八面体点阵胞元组成，使八面体点阵胞元在x、y、z三个方向进行延拓，成为空间点阵结构。

八面体胞元121为多连杆结构，包含12根连杆，相邻连杆间成60度夹角，空间状态依据拓扑准则，具有6组不同方向的连续连杆，形成拉伸主导型胞元。

参照图2、图5，为高承载连杆装配应用示意图。经轻量化设计的连杆1连接于接头100与接头200之间，用于传递轴向载荷。

尽管以上内容已经描述和示出了本发明的实施例，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明实施例的前提下，还可以做出若干简单变化、修改、替换和变型，都应当视为属于本发明的保护范围。