一种波形屈曲诱导蜂窝吸能结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种波形屈曲诱导蜂窝吸能结构及其制造方法，属于吸能材料技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种波形屈曲诱导蜂窝吸能结构及其制造方法


[0001]本专利技术属于吸能材料
，更具体地说，涉及一种波形屈曲诱导蜂窝吸能结构及其制造方法，用于交通运输
、
航空航天
、
军事等领域的安全防护结构设计
。

技术介绍

[0002]蜂窝结构由于其质量轻，吸能效果好被广泛应用于交通安全防护以及航天器探测着陆等领域中
。
作为一种能量吸收元件，其力
‑
位移响应曲线在理想状态下应呈现矩形，然而，传统的蜂窝结构受到面外压缩时，会产生的较高的初始峰值力
。
这种较高的初始峰值力将在碰撞中产生更大的初始加速度，很容易对受保护目标造成损害
。
除此之外，传统蜂窝结构在面外压缩过程中容易发生整体的屈曲失稳，使得胞壁结构上无法形成充分的塑性变形，在一定程度上会降低结构能量耗散效率
。
因此，有必要对传统蜂窝结构进行改进，以提高蜂窝结构的压溃效率，满足工程上的应用需求
。
[0003]现有考虑变形诱导效应的蜂窝结构设计，往往只是在平面内进行，作为典型的各项异性材料，蜂窝结构的面内强度远低于面外强度，所能吸收的能量有限，难以满足实际工程的需求
。
蜂窝结构在所受到的面外荷载持续增加到一定的值时，会在胞壁的某一部位发生突然的塑性坍塌失稳，进而可能诱发全局的屈曲
。
由于传统蜂窝的胞壁通常为均匀的直面形态，上述过程的发生往往伴随着较大的峰值应力，随后快速下降
。/>诱发初始坍塌往往是避免结构在撞击时产生高的初始峰值应力的关键
。
受折纸工艺的启发，在蜂窝结构中引入预先折叠的折纸面来代替直面胞壁来控制结构沿着折线的坍塌行为，实现胞壁按着既定路径的屈曲折叠
。
由于折痕部位的强度较低，预折叠的胞壁形态会在很大程度上降低蜂窝结构的承载性能，且塑性铰往往只发生在折线处难以在胞壁其余区域形成完全的塑性屈曲变形，使得材料未能得到充分利用从而削弱了结构的吸能效率
。
[0004]此外，预折叠模式的蜂窝构型往往需要多个参数控制，空间几何构造较为复杂，利用传统的加工制备工艺生产特定构型的蜂窝结构存在着一定的困难
。
目前，通常采用
3D
打印技术来实现折纸蜂窝结构的制备，但该工艺的制备周期长且造价高，不宜大规模投入生产
。
[0005]目前，亟需一种新型的蜂窝性能结构以解决上述问题
。

技术实现思路

[0006]1.
要解决的问题
[0007]本专利技术的目的在于克服现有蜂窝结构存在的变形不可控
、
初始峰值力高等不足，提供了一种波形屈曲诱导蜂窝吸能结构，从面外方向对该结构的胞壁进行既定波形曲面设计，实现结构的面外刚度可调节，变形模式可控，压溃屈曲过程平稳，在一定程度上提高结构的能量吸收效率
。
通过对波形屈曲诱导蜂窝结构的胞壁形状参数进一步优化，有效改善蜂窝结构的承载和吸能性能，解决现有屈曲诱导蜂窝结构承载力较低
、
各层连接处较薄弱以及设计构造复杂等问题
。
[0008]同时，本专利技术还提供了上述波形屈曲诱导蜂窝吸能结构的制造方法，较传统制备方法而言，本专利技术的方法具有制造简单
、
成本低等优点，适宜大规模投入生产
。
[0009]2.
技术方案
[0010]为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0011]其一，本专利技术提供了一种波形屈曲诱导蜂窝吸能结构，通过将周期性变化的曲线函数与传统蜂窝结构相结合，制得一种新型的具有初始胞壁曲率的几何预变形蜂窝结构，由中空蜂窝胞元多面体结构组成，即胞元内部为中空设置，定义中空的竖直方向为
Z
轴，选择任意胞元方向为
X
轴，根据右手定则确定
Y
轴，整个蜂窝结构的
X
‑
O
‑
Z
面沿着函数曲线周期性弯曲而成
。
[0012]其中，该曲线函数包括正弦函数
、
余弦函数等，从而形成连续且平滑的蜂窝胞壁结构，进而能够有效降低胞壁结构中的应力集中问题，避免结构在压溃失效过程中发生过早的局部破坏或断裂
。
[0013]当蜂窝结构的
X
‑
O
‑
Z
面设计为正弦函数或余弦函数弯曲时，可对弯曲的幅度也即正弦函数
(
或余弦函数
)
曲线的振幅进行设计，以调控蜂窝结构局部的屈曲诱导强度，在蜂窝结构变形过程中控制塑性铰的发生区域和先后次序，进行实现变形模式的可控性
。
如，蜂窝吸能结构的
X
‑
O
‑
Z
面按照
n
个周期的正弦曲线
A(z)
＝
A0·
sin(2
π
z/
λ
)
进行弯曲，在蜂窝吸能结构的总高度
H
一定时，通过改变胞壁波形参数
λ
和
A
i
，可以得到不同形状参数的波形屈曲诱导蜂窝吸能结构，如：同一个蜂窝吸能结构中，
[0014]当
A0＝0时，该蜂窝吸能结构为传统的胞壁呈直面分布的蜂窝结构；
[0015]当
A0为一个恒定值时，即曲线函数的振幅保持不变，该蜂窝吸能结构的
X
‑
O
‑
Z
面弯曲幅度处处相同；
[0016]当
A0沿着蜂窝高度方向呈梯度变化，即曲线函数的振幅具有梯度分布特征，该蜂窝吸能结构的
X
‑
O
‑
Z
面弯曲幅度呈梯度变化
。
采用上述设计可以调控蜂窝吸能结构的局部失稳强度和面外刚度，从而实现既定变形模式的诱导，，降低初始峰值荷载并且提高能量吸收效率
。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，每段正弦函数或余弦函数的振幅逐级递增或递减
。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，每段正弦函数或余弦函数的振幅由中间向两侧递增或递减
。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，所述蜂窝吸能结构的单胞为正六边形
、
三角形
、
矩形
、
内凹六边形中的任一种
。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，该蜂窝吸能结构所选用的材料为铝合金，铝合金材料塑性好
、
比强度高，与本专利技术的蜂窝结构形式相结合后，能够拥有更优异的吸能效果
。
[0021]其二，本专利技术还提供了一种梯度波形屈曲诱导蜂窝结构的制备方法，包括以下步骤：
[0022]步骤一
、
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种波形屈曲诱导蜂窝吸能结构，其特征在于，所述蜂窝吸能结构由多个中空蜂窝胞元多面体结构组成，定义中空方向为
Z
轴方向，选择任意胞元方向为
X
轴，根据右手定则确定
Y
轴，整个蜂窝结构的
X
‑
O
‑
Z
面沿曲线函数周期性弯曲而成
。2.
根据权利要求1所述的波形屈曲诱导蜂窝吸能结构，其特征在于，所述函数曲线包括正弦函数
、
余弦函数，从而形成连续且平滑的蜂窝胞壁结构
。3.
根据权利要求1所述的波形屈曲诱导蜂窝吸能结构，其特征在于，蜂窝结构的
X
‑
O
‑
Z
面设计为正弦函数或余弦函数弯曲时，曲线函数的振幅大小保持不变或振幅大小呈梯度变化
。4.
根据权利要求3所述的波形屈曲诱导蜂窝吸能结构，其特征在于，每段正弦函数或余弦函数的振幅逐级递增或递减
。5.
根据权利要求3所述的波形屈曲诱导蜂窝吸能结构，其特征在于，每段正弦函数或余弦函数的振幅由中间向两侧递增或递减<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王士龙，裴文杰，鲍海英，查曙光，袁泉，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：