一种基于梯度点阵结构的轻质电动舵机抗冲击底座及外壳

1.本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种轻质可被动进行能量吸收从而实现抗冲击的基于梯度点阵结构的电动舵机抗冲击底座及外壳。


背景技术：

2.为了满足现代军事作战隐身、机动性能以及发射平台适应性的要求，电动舵机配合折叠舵面逐渐成为一种新的设计趋势。舵面自动展开后，会产生巨大冲击力，在冲击载荷作用下，电动舵机内部结构受力状态发生一定变化，加大结构的磨损，导致系统结构间隙而出现抖动现象。设备冲击环境是一种复杂的振荡型冲击，其主要特点是：持续时间短，加速度幅值高，频率成分复杂。为了提高舵机的可靠性、耐久性和稳定性，需要对舵机设备进行抗冲击性设计。
3.随着机械技术的发展及对机械各方面性能要求的提高，梯度点阵结构因其特有的轻质高强、能量吸收、传热导热等在航空航天、水下机器人中受到广泛地应用。而bcc点阵结构是一种具有等截面均匀支柱的模拟晶体分子体结构拓扑构型的桁架结构，具有较好的抗冲击吸能特性，并且在具有较高应变速率下，其破坏失效模式不会发生改变。
4.本发明基于梯度多孔点阵拓扑结构的特点，设计一种轻质可吸能的安装于舵机与舰艇之间的电动舵机抗冲击底座以及舵机外壳。该结构创新地将可梯度化的点阵结构运用于电动舵机底板，在减轻舵机底板质量的同时，可有效抵抗来自外界的冲击，以减轻结构内部的震动损伤。


技术实现要素：

5.因此，本发明的目的是面向当前电动舵机外壳的抗冲击需求，考虑在不改变舵机原有设计的情况下，设计一种能够安装在舵机与舰艇之间，实现质量减轻并有效实现抗冲击的舵机底座。
6.本发明的基于梯度点阵结构的轻质可吸能的电动舵机抗冲击底座的整体或局部由梯度点阵结构制作；所述梯度点阵结构由点阵单胞在空间内周期性排列形成；所述点阵单胞包括在空间内分布的节点和连接于节点之间的杆体；所述梯度点阵结构内杆体的直径沿建造方向由小到大按线性规律连续变化。
7.进一步，所述底座的侧板由所述梯度点阵结构制作。
8.进一步，所述点阵单胞为体心立方点阵单胞。
9.本发明的基于梯度点阵结构的轻质可吸能的电动舵机抗冲击外壳的整体或局部由变体梯度点阵结构制作；所述变体梯度点阵结构包括重复排列并相互连接的多个变体梯度单胞列；所述变体梯度单胞列包括沿单一方向重复排列并相互连接的多个点阵单胞，且变体梯度单胞列内各点阵单胞沿其排列方向尺寸渐变进而形成梯度结构。
10.进一步，所述变体梯度单胞列内同一点阵单胞的杆径相同，各点阵单胞的杆径沿单胞排列方向尺寸渐变。
11.进一步，所述点阵单胞由体心立方点阵单胞沿单一方向伸长或缩短形成。
12.本发明的有益效果为：
13.1、本发明的舵机底座采用梯度bcc点阵结构制作，其具有较好的抗冲击吸能特性，并且在具有较高应变速率下，其破坏失效模式不会发生改变，能够更好地实现结构的有效保护，保证舵机内部结构的可靠性、耐久性和稳定性。
14.2、本发明的舵机底座设计，使结构简单，并不改变原有舵机设计，可很好适配已有舵机。
15.3、本发明的舵机外壳采用梯度结构设计，流程简易，可实现性强，不同于传统梯度结构局限于制造加工的尺寸限制，提高了其使用性。
16.4、本发明采用的梯度结构的不同层的连接更加平稳，较其他梯度结构，连接处不存在结构突变导致的性能弱化问题。
17.5、本发明采用的梯度结构具有优良的力学性能，有着高承载特性，能实现密度与拓扑复杂规律变化的梯度结构设计，并有效实现结构的减振降噪。
18.6、本发明的采用独立底座设计，使结构简单，并不改变原有舵机设计，可很好适配已有舵机。
附图说明
19.下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明：
20.图1(a)为梯度体心立方点阵结构的示意图；
21.图1(b)为梯度体心立方点阵单胞的示意图；
22.图2为本发明的舵机抗冲击外壳示意图。
23.图3为体心立方变体梯度点阵单胞的示意图
24.图4为体心立方变体点阵结构的示意图；
25.图5为本发明的轻量化电动舵机外壳示意图。
具体实施方式
26.实施例一
27.本实施例的基于梯度点阵结构的轻质可吸能的电动舵机抗冲击底座的侧板由梯度体心立方点阵结构制作；所述梯度体心立方点阵结构由体心立方点阵单胞在空间内周期性排列形成；体心立方点阵结构是一种具有等截面均匀支柱的模拟晶体分子体结构拓扑构型的桁架结构，体心立方点阵单胞外部轮廓为正方体，其内部的组成元素为八根具有长度的杆体，八根杆体分别将体心点与八个顶点连接，通过体心立方点阵单胞的周期性排列最后构成体心立方点阵结构；体心立方结构的单胞尺寸为4
×4×
4mm，单胞杆径变化范围为0.3～2.2mm，厚度根据舵机侧板高度确定，根据舵机外壳形状进行周期性排布厚度为48mm；高密度侧排布于舵机侧板的下侧，以有效实现抗冲击，如图1所示为计算机三维建模软件所得到的梯度bcc点阵拓扑结构。其中图1(a)为阵列而成的梯度bcc点阵结构，图1(b)为单胞梯度结构。以点阵结构的一个顶角为原点o建立坐标系如图所示，定义y方向为建造方向，通过单胞杆径连续变化实现点阵结构沿着构建方向由小到大按线性规律连续变化。该种梯度结构可有效实现结构的梯度化设计并且保证单胞的连接处不存在突变，实现节点处的光化
过度，保证结构整体的机械性能。
28.所述的梯度化设计部分布置于底座的侧板，当遇到来自输出轴或是外界环境的冲击时，底座侧板可以进行有效地能量吸收，对内部零部件进行安全的保护。
29.实施例二
30.本实施例的基于变体梯度点阵结构的具有减振降噪的轻量化电动舵机外壳的整体由变体梯度点阵结构制作；所述变体梯度点阵结构根据承载与减振降噪要求首先确定结构的相对密度取值，根据几何关系计算获得杆径尺寸，本实施例中，其杆径与标准bcc单胞边长的比值为1:5。其次确定梯度主方向，在本实施例中以外壳法向为梯度主方向，沿该方向，结构由内到外实现梯度化。结构具体包括重复排列并相互连接的多个变体梯度单胞列；所述变体梯度单胞列包括沿单一方向重复排列并相互连接的多个点阵单胞，且变体梯度单胞列内各点阵单胞沿其排列方向尺寸渐变进而形成梯度结构。如图3所示为体心立方变体梯度点阵单胞的示意图，图中以体心立方点阵单胞为原始模型，将其高度方向尺寸伸长或缩短形成体心立方变体梯度单胞；如图4所示为体心立方变体点阵结构的示意图；图中的变体梯度单胞列由7个变体梯度单胞沿竖直方向阵列后相互连接形成，且7个变体梯度单胞的高度尺寸自下而上逐渐减小；如图5，同一点阵单胞内的杆径相同，可避免点阵结构相邻单胞的杆件连接处出现节点连接突变、性能弱化问题；变体梯度单胞列中7个变体梯度单胞的杆径自下而上逐渐增加；因此，通过单胞整体尺寸和杆径的梯度化设计，使该变体梯度点阵结构的密度和能量吸收能力形成梯度；使舵机外壳既有一定抗冲击能力，又最大程度做到了轻量化设计。
31.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。