阅读说明：本技术 一种轻量化承重结构 (Lightweight load-bearing structure ) 是由 李庆棠 陈秀思 于 2020-04-03 设计创作，主要内容包括：一种轻量化承重结构,其特征在于,由多个承重单元组成的多层结构；其中,一个承重单元的结构是这样的：包括4个形状相同的支杆和一个节点A,4个支杆的一端无缝隙地连接在一起,形成节点A,其4个小支杆的另一端为组成边上为L的正方形的四个顶点,正方形的四个顶点所形成的平面称为承重单元的底M,节点A到承重单元的底的距离为该承重单元的高h；本发明通过多层承重单元阵列构成一种轻量化承重结构,在保证结构强度的情况下,减少材料的用量,减少了结构的重量,提高了结构的力学性能。(A light-weight bearing structure is characterized by being a multilayer structure consisting of a plurality of bearing units, wherein one bearing unit is of a structure comprising 4 supporting rods with the same shape and a node A, one ends of the 4 supporting rods are connected together without a gap to form the node A, the other ends of the 4 small supporting rods are four vertexes of a square with the composition edge being L, a plane formed by the four vertexes of the square is called a bottom M of the bearing unit, and the distance from the node A to the bottom of the bearing unit is the height h of the bearing unit.)

一种轻量化承重结构

技术领域

本发明涉及一种承重结构，具体是一种节省材料的轻量化承重结构。

背景技术

点阵结构具有质量轻、比刚度高、比强度高、吸声隔热等优良特性，被认为是结构轻量化的最佳选择，在汽车、船舶、航空航天领域有着越来越多的应用。梯度点阵结构通过对点阵单胞构型的设计使得结构整体具有更加优良的性能。

现有的轻量化承重结构通过改变各层点阵中单胞杆件的粗细来控制其相对密度，提高了结构的抗冲击性能，达到了点阵结构的宏观物性参数随空间位置呈梯度变化的目的，层与层之间的连接或通过加隔板来实现，或通过加过渡层来实现。然而，通过加隔板这种方式进行层与层之间连接时，会出现部分隔板悬空，不利于增材制造的实现，同时现有的加工方式又费时费力；通过加过渡层来实现层与层之间的连接时，上层点阵结构与下层点阵结构之间易出现较大连接台阶。

发明内容

本发明的目的是提供一种轻量化承重结构，以克服现有技术承重效果差，且加工费力的不足。

一种轻量化承重结构，其特征在于，由多个承重单元组成的多层结构；其中，一个承重单元的结构是这样的：包括4个形状相同的小支杆和一个节点A，4个小支杆的一端无缝隙地连接在一起，形成节点A，其4个小支杆的另一端为组成边上为L的正方形的四个顶点，正方形的四个顶点所形成的平面称为承重单元的底M，节点A到承重单元的底的距离为该承重单元的高h；

由多个承重单元在垂直方向上连接，其中，第一个承重单元的节点A1在第一个承重单元底M1的下方，第二个承重单元的节点A2在第二个承重单元的底M2的上方，第一个承重单元的节点A1和第二个承重单元的节点A2无缝连接在一起，成为一个节点，第二个承重单元的底M2与第一个承重单元的底M1平行；

第三个承重单元的节点A3在第三个承重单元底M3的下方，第三个承重单元的4个小支杆的另一端与第二个承重单元的4个小支杆的另一端一个对一个无缝连接，使第三个承重单元的底M3与第二个承重单元的底M2重合；

第四个承重单元与第三个承重单元的节点连接，形成一个节点；其连接跟第二个承重单元与第一个承重单元单元的连接方式相同；以此类推，形成N层；

第一个承重单元、第二个承重单元、第三个承重单元、…、第N个承重单元分别在水平方向向四周延拓；每层形成由多个承重单元组成列阵，每一层多个承重单元的底都在同一平面内；其中，每一个承重单元的一个小支杆的另一端与同一层的3个相邻的承重单元的各一个小支杆的另一端连接，并与与其承重单元的底相重合的层的4个承重单元的各一个小支杆的另一端连接；

其中，同一层的承重单元的高度相同，所有承重单元的底的正方形边长L都相同。

所述的承重单元的小支杆为圆柱体或者圆台，小支杆两端切削成相互能够无缝连接的形状，使所有节点的小支杆都无缝连接。

所述的每个承重单元相邻的小支杆的夹角α的范围，20≤α≤120。

所述的每个承重单元相邻的小支杆的夹角α的范围，20≤α≤60。

所述各层的高是相同的。

所述各层的高有不相同的。

所述的所有承重单元的小支杆的直径都是相同的。

不同的承重单元的小支杆的直径有不相同的。

在同一垂直线上的相邻的承重单元的节点之间，增加一根加强筋连接。

在所有承重单元外，加上一层蒙皮，所有承重单元最外面的节点与蒙皮连接在一起。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过多层承重单元阵列构成一个轻量化承重结构，在保证结构强度的情况下，减少材料的用量，减少了结构的重量，提高了结构的力学性能。

2.本发明可以是机械加工成型，特别适用于3D打印成型。

3.本发明使得阵列结构具备了梯度功能，结构在宏观上的物性参数随空间位置呈梯度变化。

4.本发明可以实现小支杆截面积尺寸的变化，消除了连接的支杆与支杆之间的连接台阶，使整个结构在受力时性能更加可靠。本发明中轻量化承重结构尺寸可以根据设计需要任意变化，构成一种轻量化承重结构的圆台形小支杆可以根据设计需要对圆台形小支杆的大端和小端直径进行任意变化。

5.本发明实现了结构的轻量化，结构具有优异的力学性能。

6.本发明通过将小支杆直径的变化，实现了结构的变密度设计，整体结构传力路径清晰，构型简单，便于制造。

7.在相同密度下，本发明的阵列结构有更大的空隙，在无蒙皮时有利于空气流动、在有蒙皮时有利于隔热。

8.本发明单个承重单元的底长L在6至20毫米。

9.本发明每个单元底的大小相同，有利于适应狭小空间的承重结构的设计。

附图说明

图1、本发明承重单元结构示意图；

图2、本发明两个承重单元在垂直方向连接在一起的结构示意图；

图3、本发有4个承重单元在垂直方向连接在一起的结构示意图；

图4、本发明承重单元延拓过程示意图；

图5、本发有4个承重单元在垂直方向连接在一起的结构示意图；

图6、本发明整体结构示意图；

图7、本发明4个承重单元在垂直方向连接在一起，并且垂直相邻节点间有加强筋的结构示意图；

图8、本发明节点间有加强筋的结构示意图；

图9、图8的立体图；

图10、本发明承重单元结构示意图。

具体实施方式

一种轻量化承重结构，其特征在于，由多个承重单元组成的多层结构；其中，一个承重单元的结构是这样的：包括4个形状相同的小支杆和一个节点A，4个小支杆的一端无缝隙地连接在一起，形成节点A，其4个小支杆的另一端为组成边上为L的正方形的四个顶点，正方形的四个顶点所形成的平面称为承重单元的底M，节点A到承重单元的底的距离为该承重单元的高h；

由多个承重单元在垂直方向上连接，其中，第一个承重单元的节点A1在第一个承重单元底M1的下方，第二个承重单元的节点A2在第二个承重单元的底M2的上方，第一个承重单元的节点A1和第二个承重单元的节点A2无缝连接在一起，成为一个节点，第二个承重单元的底M2与第一个承重单元的底M1平行；

第三个承重单元的节点A3在第三个承重单元底M3的下方，第三个承重单元的4个小支杆的另一端与第二个承重单元的4个小支杆的另一端一个对一个无缝连接，使第三个承重单元的底M3与第二个承重单元的底M2重合；

第四个承重单元与第三个承重单元的节点连接，形成一个节点；其连接跟第二个承重单元与第一个承重单元单元的连接方式相同；以此类推，形成N层；

第一个承重单元、第二个承重单元、第三个承重单元、…、第N个承重单元分别在水平方向向四周延拓；每层形成由多个承重单元组成列阵，每一层多个承重单元的底都在同一平面内；其中，每一个承重单元的一个小支杆的另一端与同一层的3个相邻的承重单元的各一个小支杆的另一端连接，并与与其承重单元的底相重合的层的4个承重单元的各一个小支杆的另一端连接；

其中，同一层的承重单元的高度相同，所有承重单元的底的正方形边长L都相同。

所述的承重单元的小支杆为圆柱体或者圆台，小支杆两端切削成相互能够无缝连接的形状，使所有节点的小支杆都无缝连接。

所述的每个承重单元相邻的小支杆的夹角α的范围，20≤α≤120。

所述的每个承重单元相邻的小支杆的夹角α的范围也可以为，20≤α≤60。

所述各层的高是相同的。

所述各层的高有不相同的。

所述的所有承重单元的小支杆的直径都是相同的。

不同的承重单元的小支杆的直径有不相同的。

在同一垂直线上的相邻的承重单元的节点之间，增加一根加强筋连接。

在所有承重单元外，加上一层蒙皮，所有承重单元最外面的节点与蒙皮连接在一起。

实施例一：

以下实例参照图1、图2、图3图4和图6。

一种轻量化承重结构，其特点是包括N层阵列结构和4N根圆台形杆；其中，每层金字塔点阵结构均由承重结构单元在XOY平面内延拓形成，各层金字塔的单胞尺寸相同、相对密度相同；所述轻量化承重结构单元由杆1、杆2、杆3、杆4和节点5构成，4个支杆的一端无缝隙地连接在一起，形成节点5，4个支杆的另一端组成边长为L的正方形的四个顶点，正方形的四个顶点所形成的平面称为承重单元的底M，节点5到承重单元的底的距离为该承重单元的高h；杆1、杆2、杆3和杆4呈圆台形，杆的大端直径为D，小端直径d，杆1、杆2、杆3和杆4通过节点5连接构成轻量化承重结构单元；。

本发明一种轻量化承重结构包括N层阵列结构和4N根圆台形杆；其中，每层阵列结构均由在XOY平面内延拓形成，每层内的承重单元相同、相对密度相同，不同层的的承重单元小支杆尺寸不同；所述承重单元由杆1、杆2、杆3、杆4和节点5构成，4个支杆的一端无缝隙地连接在一起，形成节点5，4个支杆的另一端组成边长为L的正方形的四个顶点，正方形的四个顶点所形成的平面称为承重单元的底M，节点5到承重单元的底的距离为该承重单元的高h；杆1、杆2、杆3和杆4呈圆台形，杆的大端直径为D，小端直径d，杆1、杆2、杆3和杆4通过节点5连接构成一种轻量化承重结构；。

从图4可以看出，阵列层A和阵列层B连接后整体在X、Y两个方向延拓，形成梯度点阵结构。

实施二：

如实施一的一种轻量化承重结构，其中，在同一垂直线上的相邻的承重单元的节点之间，增加一根加强筋连接。

实施三：

如实施一的一种轻量化承重结构，其中，在所有承重单元外，加上一层蒙皮，所有承重单元最外面的节点与蒙皮连接在一起。

本发明特别适用于3D打印，最常用的本发明单个承重单元的底宽L为8毫米到16毫米。实施例中的底宽L为10毫米。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可动的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。