一种接触锁定式蜂窝结构、耗能结构及防撞结构制造技术

本发明专利技术公开了一种接触锁定式蜂窝结构、耗能装置及防撞装置，接触锁定式蜂窝结构包括基本单元，基本单元由六个折纸管相互连接组成，每两个相邻的折纸管正方形底面相互垂直，在中心围成一个通透的正六面体，六个折纸管位于正六面体的六个面法线方向上；基本单元沿着X轴、Y轴、Z轴排列组成；相邻两个基本单元之间采用连接管连接；连接管包括一个或以上的折纸管；当连接管为一个折纸管时，连接管为相邻两个基本单元公用的折纸管。本发明专利技术将折纸元素引入蜂窝材料中，具有较大的变形能力，通过三向相同拓扑数量的方式可以有效保证三向同性，同时可以通过调整阵列单元数量以及折纸管几何参数改变材料的力学性能，具有良好的可编程性，具有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种接触锁定式蜂窝结构、耗能结构及防撞结构


[0001]本专利技术涉及蜂窝结构
，具体涉及到一种具有各向同性的两阶段接触锁定式蜂窝结构。

技术介绍

[0002]随着人类对科学技术的不断探索，天然材料已逐渐不能满足日益扩大的使用需求，对具有超常物理特性的材料需求越来越急切，得益于3D打印技术的迅速发展，具有复杂结构的耗能结构应运而生。在现有的耗能结构中，正六边形蜂窝板已经拥有了较为成熟的工艺体系，其具有轻质高强、相对密度低和优异的耗能能力等特性，是目前应用较为广泛的材料。其优越的耗能性能使蜂窝材料的应用领域十分广阔，如航空航天材料、耗能结构、防撞结构等。
[0003]传统蜂窝结构是一种各向异性材料，其共面强度远远低于异面强度，共面方向耗能能力很差，因此其应用场景有较多的限制。现有的传统蜂窝耗能材料可以实现高效的能量吸收，但是应力
‑
应变曲线通常仅有一个平台段，无法实现多级缓冲吸能，这就使得在面对多级缓冲的工况时，需要将多种缓冲材料结合在一起，这不仅对制作工艺有极高的要求，也影响最终的耗能效果，将大大限制蜂窝结构的应用空间。也就是说，现在技术中存在共面耗能能力过低、蜂窝结构无法满足多阶段耗能需求的不足。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种具有各向同性的两阶段接触锁定式耗能蜂窝结构、耗能结构及防撞结构，具有大变形能力及各向同性。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术首先提供一种接触锁定式蜂窝结构，包括：基本单元，所述基本单元由六个折纸管相互连接组成，每两个相邻的折纸管正方形底面相互垂直，在中心围成一个通透的正六面体，六个折纸管位于正六面体的六个面法线方向上；所述基本单元沿着X轴、Y轴、Z轴排列组成；相邻两个所述基本单元之间公用一个所述折纸管。
[0006]作为本专利技术的进一步优选，所述折纸管为三浦折叠型结构，每个折纸管包括两个镜像的三浦折叠结构，每个三浦折叠结构由四个完全相同的平行四边形组成，将平行四边形的控制参数分别定义为高、宽和夹角。
[0007]作为本专利技术的进一步优选，所述蜂窝结构具有接触锁定式的特征，通过相邻基本单元平移拓扑形成的蜂窝构型为接触锁定式，受压缩时，各基本单元垂直于受压方向的折纸管贴合接触后锁定，提供第二阶段耗能。
[0008]作为本专利技术的进一步优选，所述夹角范围为55
°‑
90
°
。
[0009]作为本专利技术的进一步优选，所述平行四边形高和宽的比值范围为0.5
‑
2。
[0010]本专利技术还提供一种耗能装置，包括上述提供的接触锁定式蜂窝结构。
[0011]本专利技术还提供一种防撞装置，包括上述提供的接触锁定式蜂窝结构。
[0012]通过以上技术方案，相对于现有技术，本专利技术具有以下有益技术效果：1．本专利技术提供的具有各向同性的两阶段接触锁定式耗能蜂窝结构中，所有的折纸管均采用三浦折叠构型，具有极佳的变形能力，可在结构受力时提供较大的变形与缓冲耗能能力。
[0013]2．本专利技术提供的具有各向同性的两阶段接触锁定式耗能蜂窝结构中，所有的几何参数都可以在初始设计时进行调整，从而调控结构的力学性能，具有良好的可编程性。
[0014]3．本专利技术提供的具有各向同性的两阶段接触锁定式耗能蜂窝结构，折纸管在X、Y、Z三向进行排列，能够实现三向各向同性的性质，可满足具有多向缓冲要求的结构设计。
[0015]4．本专利技术提供的具有各向同性的两阶段接触锁定式耗能蜂窝结构，在受到不同方向压缩荷载时，在相同的相对密度和空间尺寸下，接触锁定式六面体超材料异面耗能能力可达到传统蜂窝的90%以上，共面耗能能力是传统蜂窝的10倍以上，面外、面内耗能能力非常优异。
[0016]5．本专利技术提供的具有各向同性的两阶段接触锁定式耗能蜂窝结构，在受到外部荷载压缩时可以提供两阶段耗能能力，当在外侧施加压缩荷载时，压缩方向上的折纸管首先发生折叠变形以提供第一阶段耗能，随后正交方向上的折纸管发生变形提供第二阶段耗能，可满足具有多级缓冲需求的结构设计要求。
附图说明
[0017]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0018]图1是本专利技术提供的优选实施例的整体结构示意图；图2是本专利技术提供的优选实施例中基本单元的结构示意图；图3是基本单元之间共用一个折纸管的连接平面示意图；图4是基本单元之间共用一个折纸管的连接立体示意图；图5是基本单元之间采用两个折纸管的连接平面示意图；图6是基本单元之间采用两个折纸管的连接立体示意图；图7是本专利技术提供的优选实施例中折纸管的结构示意图；图8是本专利技术提供的优选实施例中三浦折叠构型的结构示意图；图9是本专利技术提供的优选实施例的归一化应力
‑
应变曲线图。
[0019]图中：1为X向折纸管，2为Y向折纸管，3为Z向折纸管，4为基本单元，5为连接管，11为平行四边形高，12为平行四边形宽，13为平行四边形夹角，31为折纸管底面。
实施方式
[0020]现结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。本申请中，需要理解的是，本实施例中采用的具体尺寸与数量只是为了举例说明技术方案，并不限制本专利技术的保护范围。
[0021]如图1
‑
4所示，具有各向同性的两阶段接触锁定式耗能蜂窝结构，该蜂窝结构由若干沿着X轴、Y轴、Z轴方向拓扑组成的L
×
M
×
N个相同的基本单元5组成需要理解的是，图中L=M=N=4，但实际只需满足L≥1，M≥1，N≥1。
[0022]基本单元4共有六个折纸管相互连接组成，每两个相邻的折纸管底面31相互垂直，折纸管底面31为正方形，六个底面在中心围成通透的正六面体结构，六个折纸管位于正六面体的六个面法线方向上；六个折纸管包括两个X向折纸管1，两个Y向折纸管2和两个Z向折纸管3，参见图2。相邻两个基本单元4之间公用一个折纸管，在X轴方向为例，相邻两个基本单元4之间公用一个X向折纸管1，将位于相邻两个基本单元4共用的折纸管1定义为连接管5，参见图3、4。
[0023]折纸管为三浦折叠型结构，每个折纸管包括两个镜像的三浦折叠结构，每个三浦折叠结构由四个完全相同的平行四边形组成，将平行四边形的控制参数分别定义为高11、宽12和夹角13，参见图7和图8。由A、B、C、D围成的面为折纸管底面31。
[0024]作为优选的实施方式，平行四边形高为10mm，平行四边形宽为10mm，平行四边形夹角为60
°
，平行四边形高和宽的比值为1，连接管5的数量为1。
[0025]本实施例中，建立了如图1所示的4
×4×
4个基本单元4的蜂窝结构，力结构中的材料全部定义为铝材，本实施例完成了该蜂窝结构力学性能的有限元数值模拟计算，如图9所示。通过计算得到本实施例中的蜂窝结构拥有良好的两阶段耗能能力，且为各向同性结构，有广阔的应用空间。当在Z向施加压缩荷载时，压缩方向上的折纸管3首先发生折叠变形以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种接触锁定式蜂窝结构，其特征在于，包括：基本单元，所述基本单元由六个折纸管相互连接组成，每两个相邻的折纸管正方形底面相互垂直，在中心围成一个通透的正六面体，六个折纸管位于正六面体的六个面法线方向上；所述基本单元沿着X轴、Y轴、Z轴排列组成；相邻两个所述基本单元之间采用连接管连接；所述连接管包括一个或以上的所述折纸管；当所述连接管为一个所述折纸管时，连接管为相邻两个所述基本单元公用的折纸管。2.根据权利要求1所述的接触锁定式蜂窝结构，其特征在于：所述折纸管为三浦折叠型结构，每个折纸管包括两个镜像的三浦折叠结构，每个三浦折叠结构由四个完全相同...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡建国，陈华炜，孙逸夫，张慧中，张骞，冯健，
申请(专利权)人：东南大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：