(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111606042.6 (22)申请日 2021.12.25 (71)申请人 西安电子科技大 学 地址 710071 陕西省西安市雁塔区太白南 路2号 (72)发明人 王明智　张俊超　王卫东　高立波　 陆洋　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 代理人 姚咏华 (51)Int.Cl. G06F 30/10(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于仿生层级的力学超材料环形点阵 结构 (57)摘要 本发明公开了一种基于仿生层级的力学超 材料环形点阵结构， 包括单层环形结构和双层环 形结构两种环形点阵结构， 各环形点阵结构由沿 着X、 Y、 Z方向分别以阵列排布的M ×N×P个环形 结构单元组成， M≥1， N≥1， P≥1； 单层环形结构 单元包括沿立方体对角棱相互垂直的两个椭圆 环； 双层环形结构单元包括 沿立方体对角棱相互 垂直的两个椭圆环以及在所述两个椭圆环内的 两个内椭圆环。 该结构通过引入生物启发的环形 设计， 不仅具有轻量化、 高强度、 高刚度以及出色 的吸能性等特点， 而且还可以实现结构空间的充 分利用以及机械性能的大幅提升。 避免了目前的 传统人造材料结构机械性能差、 分级机制单一、 内部结构设计存在明显缺陷等问题。 权利要求书1页 说明书6页 附图6页 CN 114266085 A 2022.04.01 CN 114266085 A 1.一种基于仿生层级的力学超材料环形点阵结构， 其特征在于， 包括单层环形结构和 双层环形结构 两种环形点阵结构， 各环形点阵结构由沿着X、 Y、 Z方向分别以阵列排布的M × N×P个环形结构单元组成， M≥1， N≥1， P≥1； 所述单层环形 结构单元包括沿立方体对角棱相互垂直的两个椭圆环； 所述双层环形结构单元包括沿立方体对角棱相互垂直的两个椭圆环以及在所述两个 椭圆环内的两个内椭圆环。 2.根据权利要求1所述的基于仿生层级的力学超材料环形点阵结构， 其特征在于， 单层 环形结构单元为以立方体对角棱的中心 点为长轴端点， 以对角棱的垂直面中心 为短轴端点 所形成的单层 椭圆环， 立方体两个对角棱椭圆环分别处于相互垂直的两个对角面上。 3.根据权利要求2所述的基于仿生层级的力学超材料环形点阵结构， 其特征在于， 在单 层椭圆环的顶部、 底部和两侧面分别切去椭圆环直径的1/2。 4.根据权利要求1所述的基于仿生层级的力学超材料环形点阵结构， 其特征在于， 双层 环形结构单元为以立方体对角棱的中心 点为长轴端点， 以对角棱的垂直面中心 为短轴端点 所形成的双 层椭圆环， 立方体两个对角棱双 层椭圆环分别处于相互垂直的两个对角面上。 5.根据权利要求4所述的基于仿生层级的力学超材料环形点阵结构， 其特征在于， 两个 对角棱双层椭圆环的内椭圆环长轴直径与外椭圆环的长轴直径相同， 内椭圆环短轴为外椭 圆环短轴的一半。 6.根据权利要求5所述的基于仿生层级的力学超材料环形点阵结构， 其特征在于， 在双 层椭圆环的顶部、 底部和外椭圆环的两侧面分别切去椭圆环直径的1/2。 7.根据权利要求3或6所述的基于仿生层级的力学超材料环形点阵结构， 其特征在于， 组成环形点阵结构的相邻环形 结构单元椭圆环的顶部、 底部切线相接， 侧面相贴。 8.根据权利要求1所述的基于仿生层级的力学超材料环形点阵结构， 其特征在于， 采用 光固化3D打印机， 通过聚合物打印喷头将光敏树脂 分别打印为单层环形点阵结构和双层环 形点阵结构。 9.一种权利要求1 ‑8任一项所述的基于仿生层级的力学超材料环形点阵结构在小型航 空航天器零部件中的应用。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114266085 A 2一种基于仿生层级的力学 超材料环形 点阵结构 技术领域 [0001]本发明属于力学超材料技术领域， 具体涉及到一种基于仿生层级的力学超材料环 形点阵结构， 一方面充分利用了原有BCC点阵结构的内部空间， 另一方面由于生物启发的层 级设计， 增强了点阵结构的力学性能。 背景技术 [0002]机械性能是材料的关键性能指标之一。 在材料科学和工程应用中， 总是需要更强、 更硬和更轻的材料。 在尖端科学技术领域日益增长的需求推动下， 大量研究工作致力于升 级材料设计和制造范式， 在过去几十年里从根本上推动了材料科学与工程领域的不断进 步。 但由于目前 的传统人造材料在结构的分级机制上较为单一， 在化学成分材料 的选择和 内部结构设计上存在明显的缺陷， 因此无法打破强度和韧性之间的权衡， 从而难以实现优 异的机械性能。 [0003]分级复合材料的概念可以追溯到自然生物材料， 从自然中学习对于人类来说始终 是一种有效和鼓舞人心的方法。 生物材料 的自然结构经过了数百万年的发展， 这赋予了它 们优异的机械性能， 这是传统的人造材料无法实现的。 已经证明天然生物材料 的优良和独 特的性能来源于它 们的分级结构。 [0004]结构层次通常存在于生物材料中， 如肌肉、 肌腱、 骨骼和竹子的组织等。 这些在自 然生物材料中看到的分级结构， 为研究人员开发人造分级复合材料提供了有价值的灵感。 近年来， 随着计算机建模及先进增材制 造技术的快速发展， 使得人们从自然界中学习生物 结构变得可行， 且极具吸引力。 仿生学和生物启发的结构设计， 是研究生物系统并从 中发现 有价值的仿生结构和功能的学科。 基于此， 可以用于 设计新的系统、 装置、 材料和结构， 从而 为解决现实世界中的一些工程问题提供思路。 [0005]生物材料通常具有层次结构， 从而表现出优异的机械性能。 层级结构的设计在二 维周期结构中制备中得到了 关注， 并且 取得了一定的发展。 近些年来， 基于仿生原理的层级 结构在点阵晶格的设计中得到了广泛的应用。 诸多研究表明： 分层策略可用于获得传统材 料无法实现的独特机械性 能， 如： 高模量和高强度。 2021年， Zaki  Alomar和Franco  Concli (Compressive  behavior  assessment  of a newly developed  circular  cell‑based  lattice structure.Materi als&Desi gn,205,109716.)设计了一种新型的Ti6Al4V圆形晶 格结构。 通过选择性激光熔化(SLM)工艺， 数值模拟和准静态压缩试验， 分析了晶格的力学 性能和变形机制， 证明了圆形细胞的微观结构中存在均匀分布的应力。 此外， 与BCC结构相 比， 具有更高的承载能力和刚度。 对于结构设计而言， 作者在研究中仅考虑到了结构材料的 刚度、 强度的提升， 尚未在结构 中引入基于仿生原理的层级设计以及没有考虑到结构的相 对密度与空间利用。 [0006]基于仿生启发的层级点阵结构设计， 能够极大增强结构的机械力学性能。 对于BCC 点阵结构， 因其具有轻量化、 高强度、 高刚度以及出色的吸能性等特点， 广泛应用于航空航 天、 汽车制造、 军工等领域。说　明　书 1/6 页 3 CN 114266085 A 3