一种双稳态柔性吸能防护结构及制备方法技术

一种双稳态柔性吸能防护结构及制备方法，包括上下两个硬质水平层，硬质水平层之间设置柔性中间层，所述的柔性中间层包括梯形自锁结构，间隔相对的梯形自锁结构之间连接柔性弹性杆；制作步骤为：通过3D打印机采用树脂材料打印上下两个硬质水平层；采用亚克力板制备与柔性弹性杆和梯形自锁结构组成的柔性中间层一致的中间层阴模，将硅橡胶混合液倒入阴模中固化成型；最后将硬质水平层和固化成型后的柔性中间层粘接；本发明专利技术具有结构简单、可靠，制备方便，可以实现较好的低速抗冲击防护功能。可以实现较好的低速抗冲击防护功能。可以实现较好的低速抗冲击防护功能。

【技术实现步骤摘要】
一种双稳态柔性吸能防护结构及制备方法


[0001]本专利技术涉及吸能结构
，特别涉及一种双稳态柔性吸能防护结构及制备方法。

技术介绍

[0002]吸能结构已广泛运用于精密器件防护、隔振、防撞结构等。在受到冲击时，吸能结构可以有效地降低保护对象受到的外载，缓冲减振，以实现防护作用。传统的吸能结构一般由金属、陶瓷等材料制成，伴随着金属的塑性变形和陶瓷的碎裂，结构在吸能的同时发生破坏，只能作为单次吸能材料使用。为解决此问题，研究者使用软材料设计了各种柔性可重复使用的吸能结构，例如负刚度蜂窝、皱褶结构等。这些结构在外载荷撤去后马上恢复到其初始状态，这种现象被称之为单稳态。然而，这种变形恢复效应极有可能会对被保护的对象造成二次伤害。因此，理想的吸能结构是双稳态的，即当外载撤去后能保持其变形后的状态。
[0003]后来，研究者设计了基于杆件失稳的吸能结构。有研究指出，弹性杆在受压失稳时会发生屈曲阶跃，表现为作用力随加载的增大而减小。若作用力恒为压力，则卸载后杆件会变形自恢复，此时的杆件结构是单稳态的。若加载过程中出现拉力段，杆件即可在卸载后保持其变形后的状态，被称为双稳态效应。但对双稳态杆件结构而言，在变形过程中拉力段的出现对吸能效果不利。要提升其吸能效果，常用的方式是提升杆件的承载力。但是，承载力越大的杆件是越不容易触发双稳态效应的。因此，在不改变杆件承载力的前提下，尽可能的减少拉力段将是提升杆件吸能效率的有效方式。
[0004]基于杆件失稳的双稳态吸能结构目前存在两个问题：(1)现有的双稳态斜直杆吸能结构吸能效率低。结构吸能效率的提升主要通过改变杆件的几何尺寸的方式提高其承载力，但具有双稳态效应的杆件几何尺寸是有限的，即：具有双稳态效应的杆件承载力不高。(2)杆件的支撑结构未参与吸能过程，导致系统的质量利用率低。例如，专利CN106828381B设计了一种基于双稳态单胞结构组成的防撞梁，但其双稳态单胞杆件受压时的承载力较低；专利CN113757290B给出了一种由直角三角形屈曲结构和四角星支撑结构组成吸能超结构，但双稳态杆件的几何尺寸受限，并且支撑结构未参与变形过程；专利CN115238407A制造了一种由斜杆组成的可折叠、可变刚度的多层吸能结构，但单层双稳态结构的吸能效率较低；专利CN217463020U设计了一种由支撑梁、圆锥壳和圆柱环组成的可抵抗三向缓冲的双稳态吸能装置，但其单胞结构几何形状复杂、制备过程繁琐。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种双稳态柔性吸能防护结构及制备方法，吸能防护结构由弹性杆和梯形自锁结构组成吸能系统，并提出了制备方法，实现了在不改变杆件承载力前提下结构吸能效率的提升，具有结构简单、可靠，制备方便，可以实现较好的低速抗冲击防护功能。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种双稳态柔性吸能防护结构，包括上、下两个硬质水平层1，硬质水平层1之间设置柔性中间层，所述的柔性中间层包括梯形自锁结构2，间隔相对的梯形自锁结构2之间连接柔性弹性杆3。
[0008]所述硬质水平层1由3D打印的树脂材料制成，为矩形水平板。
[0009]所述梯形自锁结构2为等腰梯形，斜边与水平面的倾角α为80
°‑
85
°
，倒角r为0.3
‑
0.4mm，优选0.375mm。
[0010]所述柔性弹性杆3与水平面的倾斜角θ为55
°‑
65
°
，杆件细长比(宽度/长度)为0.15
‑
0.2，优选倾斜角θ为60
°
，细长比0.2。
[0011]一种双稳态柔性吸能防护结构的制备方法，其特征在于，包括以下制作步骤：
[0012]步骤1：通过3D打印机采用树脂材料VeroPureWhite打印上下两个硬质水平层；
[0013]步骤2：采用亚克力板制备与柔性弹性杆3和梯形自锁结构2组成的柔性中间层一致的中间层阴模，将硅橡胶混合液倒入阴模中固化成型；所述梯形自锁结构2为等腰梯形，倾角α为80
°‑
85
°
，倒角r为0.3
‑
0.4m m，优选0.375mm；所述柔性弹性杆3倾斜角θ为55
‑
65
°
，细长比为0.15
‑
0.2，优选倾斜角θ为60
°
、细长比0.2；
[0014]步骤3：将硬质水平层1和固化成型后的柔性中间层粘接。
[0015]与现有技术相比，本专利技术创造具有以下创造性：
[0016](1)、通过设计梯形自锁结构2，将柔性弹性杆3和梯形自锁结构2结合，使二者在受低速冲击时发生挤压变形，解决了双稳态吸能防护结构质量利用率低的问题。
[0017](2)、通过梯形自锁结构2引入摩擦自锁力，限制了吸能防护结构的变形恢复。相比现在同尺寸的斜直杆吸能结构，显著提高了结构的吸能效率。
[0018](3)、本专利技术结构简单、可靠，制备方便，设计了一种新型的双稳态柔性吸能结构，可以实现较好的低速抗冲击防护功能。
附图说明
[0019]图1为硬质水平层1的结构示意图。
[0020]图2为柔性弹性杆3和梯形自锁结构2结构示意图。
[0021]图3为由柔性弹性杆3和梯形自锁结构2组成的中间层阴模图。
[0022]图4为双稳态吸能防护结构整体变形前后示意图。
具体实施方式
[0023]本专利技术旨在提出一种高效双稳态吸能防护结构及其制备方法，以实现提高结构吸能效率和质量利用率的目的，为双稳态吸能防护结构的生产制造提供了全新方案，结合附图及具体实例，对本专利技术作进一步的详细描述。
[0024]参照图3，一种双稳态柔性吸能防护结构，包括上、下两个硬质水平层1，硬质水平层1用来防止结构的扭转和剪切变形，硬质水平层1之间设置柔性中间层，柔性中间层作为受低速冲击时的吸能结构，由倒模法制备成一体结构，参照图2，所述的柔性中间层包括梯形自锁结构2，间隔相对的梯形自锁结构2之间连接柔性弹性杆3，每个柔性中间层有10个柔性弹性杆3和11个梯形自锁结构2，均由硅橡胶制成。
[0025]参照图1，所述硬质水平层1由3D打印的树脂材料制成，为矩形水平板，长50mm，宽
3mm，厚15mm；
[0026]所述梯形自锁结构2为等腰梯形，高度h为3.5mm，长边宽度w为3
‑
3.3mm，倾角α为80
°‑
85
°
，倒角r为0.3
‑
0.4mm，优选0.375mm；
[0027]所述柔性弹性杆3与水平面的倾斜角θ为55
°‑
65
°
，优选60。长度L为5mm，宽度t为0.75
‑
1mm，优选1mm，即细长比为0.15
‑
0.2，优选0.2。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双稳态柔性吸能防护结构，其特征在于，包括上、下两个硬质水平层(1)，硬质水平层(1)之间设置柔性中间层，所述的柔性中间层包括梯形自锁结构(2)，间隔相对的梯形自锁结构(2)之间连接柔性弹性杆(3)。2.根据权利要求1所述的一种双稳态柔性吸能防护结构，其特征在于，每个柔性中间层有10个柔性弹性杆(3)和11个梯形自锁结构(2)，均由硅橡胶制成。3.根据权利要求1所述的一种双稳态柔性吸能防护结构，其特征在于，所述硬质水平层(1)由3D打印的树脂材料制成，为矩形水平板。4.根据权利要求1所述的一种双稳态柔性吸能防护结构，其特征在于，所述梯形自锁结构(2)为等腰梯形，斜边与水平面的倾角α为80
°‑
85
°
，倒角r为0.3
‑
0.4mm。5.根据权利要求4所述的一种双稳态柔性吸能防护结构，其特征在于，倒角r为0.375mm。6.根据权利要求1所述的一种双稳态柔性吸能防护结构，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正锦，侯朝阳，余易琳，李潇，门立博，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：