具有能量吸收作用的外部拉伸结构构件制造技术

一种单位质量承载能力增强的结构构件，该结构构件包括由材料条形成的骨架结构。可以在所述条上设置凹口并且可以在凹口中放置由抗拉材料制成的织物并且所述抗张材料绕所述骨架结构进行编织。至少一对结构构件能接合在一起以通过抗拉材料的织物图案而提供非常强的接头，所述抗拉材料诸如是凯夫拉尔纤维，其贯穿所述结构分配应力，从而防止应力集中在一个区域中。制造这样的结构构件的方法包括利用成型段的基体将材料成型为期望截面的骨架。基本上避免了复合材料中完全的灾难性破坏并且能增大结构的强度重量比。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有能量吸收作用的外部拉伸结构构件相关申请的交叉引用本申请要求2011年3月4日提交的名称为“EX0TENS10NED STRUCTURAL MEMBERSWITH ENERGY-ABSORBING EFFECTS (具有能量吸收作用的外部拉伸结构构件)”的美国临时专利申请N0.61449485的在35U.S.C § 119(e)下的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。关于联邦权利的声明本专利技术在由美国能源部授予的合同N0.DE-AC52-06NA25396下通过政府支持完成。政府对本专利技术具有一定权利。
实施方式涉及结构构件，并且更具体地但不排他地涉及单位质量承载能力增强的三维结构构件。实施方式还涉及用于三维结构构件的接头和紧固件。实施方式还涉及制造三维结构构件的方法。
技术介绍
在民用、机械和 航天领域中对有效结构的追求被持续进行。有效的桁架结构是具有高强度重量比和/或高刚度重量比的结构。有效的桁架结构也能被描述为相对便宜、易于制造和组装并且不会浪费材料的结构。桁架是设计成支撑负荷的通常静止的、被完全约束的结构。它们包括连接至位于每个构件的端部处的接头的直构件。这些构件是具有沿着构件引导的力的二力构件。二力构件仅能产生绕构件中的支点的轴向力，诸如张力和压缩力。桁架常常用于桥梁和建筑物的构造中。桁架被设计成承载作用在其平面中的负荷。因此，桁架常常作为二维结构被处理和分析。最简单的二维桁架包括在它们的端部处接合以形成三角形的三个构件。通过将两个构件连续地附加至简单的结构和新接头，可以获得较大的结构。最简单的三维桁架包括在它们的端部处接合以形成四面体的六个构件。通过将三个构件连续地附加到四面体和新的接头，可以获得较大的结构。该三维结构已知为空间桁架。如与桁架相反，框架通常也是静止的、完全约束的结构，但是具有带不沿着构件被引导的力的至少一个多力构件。机器是包含移动部件的结构并且被设计成传送和改变力。机器像框架一样包含至少一个多力构件。多力构件不仅能产生张力和压缩力，而且还产生剪切和弯曲。常规的结构设计已被限制于抵抗单负荷类型的一维或二维分析。例如，工字梁被优化以抵抗弯曲并且管被优化以抵抗扭转。将设计分析限制于二维简化了设计过程但是忽视了组合加载。三维分析由于概念化和计算三维负荷和结构的困难而是困难的。事实上，许多结构必须能够抵抗多种载荷。现在利用计算机来模拟更复杂的结构。高级的复合结构在过去20年来已经用于许多类型的应用。典型的高级复合材料包括利用连续高强度、高刚度取向的纤维增强的基质。纤维能被取向成获得在期望的方向上和平面中的有利的强度和刚度。适当设计的复合结构具有优于相似的金属结构的若干优点。复合材料可以具有显著更高的强度重量比和刚度重量比，因此得到较轻的结构。已经使用诸如长丝缠绕的制造方法来形成比可以由金属制造的结构快得多的结构，诸如箱或柱。复合材料由于制造灵活性的优点而通常能取代几个金属部件。需要研制出抵抗屈曲并且吸收能量的单位质量承载能力增强的一种或多种结构构件以及由其制成的结构。
技术实现思路
根据一方面，提供了一种单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件。所述结构构件包括:形成为期望形状的骨架的材料条；设置在所述材料条的侧面上的间隔开的凹口 ；以及抗拉材料，该抗拉材料绕所述骨架被编织成期望的织物并且被放置在所述凹口中。根据另一方面，提供了一种单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件。所述结构构件包括:长形骨架结构，该长形骨架结构包括多个材料条，其中所述多个条沿着或绕着所述骨架结构的共用中心轴线纵向地接合在一起并且具有相对于该同用中心轴线间隔开的长远边；以及间隔开的凹口，这些凹口设置在所述材料条上，以锚固待绕所述骨架结构被编织成期望的织物的抗拉材料。根据又另一方面，提供了一种接合结构。所述接合结构包括单位质量承载能力增强的至少两个邻接的能量吸收结构构件以及将所述结构构件接合在一起的至少一个接头部件，其中每个结构构件均包括:长形骨架结构，该长形骨架结构包括多个材料条，其中所述多个条沿着或绕着所述骨架结构的共用中心轴线纵向地接合在一起，并且所述多个条的纵向远边相对于所述共用中心轴线间隔开；设置在所述材料条上的间隔开的凹口 ；以及抗拉材料，该抗拉材料绕所述骨架结构被编织成期望的织物并且被放置在所述凹口中。根据又另一方面，提供了一种制造单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件的方法。所述方法包括:将材料条形成为期望形状的骨架结构；在所述条的侧面上设置凹口 ；将抗拉材料放置在所述凹口中；以及绕所述骨架将所述抗拉材料编织成期望的织物。根据又另一方面，提供了一种用于组装接合结构的成套部件。所述成套部件包括:一对前述的能量吸收结构构件；至少一个抗压缩构件，这至少一个抗压缩构件用于固定地安置在一对长形骨架结构的接合端部的大致对准的凹槽中并且将大致对准的所述凹槽接合，其中，所述长形骨架结构的端部具有互补轮廓并且每个凹槽均由每个骨架结构的端部的相邻条形成；以及用于绕所述骨架结构的邻接端部编织或缠绕的抗拉材料，其中，在组装时，所述长形骨架结构的端部由至少一个抗压缩构件以及所述抗拉材料形成的织物以期望的接合角度接合在一起。根据又另一方面，提供了一种用于组装接合结构的成套部件。所述成套部件包括:一对前述的能量吸收结构构件；用于将所述结构构件的长侧面覆盖接合在一起的至少一个构型连接板；以及用于将所述连接板紧固至构件的邻近长侧面的多个紧固件，其中，在组装时，所述结构构件由将所述至少一个连接板紧固至邻接的结构构件侧面的所述紧固件接合在一起。根据又另一方面，提供一种将至少两个结构构件接合在一起的方法。所述方法包括提供单位质量承载能力增强的一对前面提及的能量吸收结构构件并且利用至少一个接头部件将所述一对结构构件接合在一起。【附图说明】图1示出了在结构构件经历任何加载之前的该结构构件的实施方式；图2A至图2C示出了虽然已承受了骨架破坏但仍由织物和芯部保持紧密接近的结构构件的各种实施方式；图3A至图3C示出了芯部破坏之后的结构构件的各种实施方式；图4示出了结构构件的实施方式的剖视图；图5A和图5B是结构构件的实施方式的局部侧视图，示出了凹口的细节和用来将织物粘附至骨架的粘合剂；图6示出了在碳纤维复合实心管上进行的试验的结果；图7示出了在Brockwell结构的一个实施方式上进行的试验的结果，未经编织的样品在压缩区域中借助正弦波形状在视觉上证明了能量吸收的多节点模式；图8示出了在结构的实施方式上进行的试验的结果；图9A至图9D示出了对结构的不同实施方式与管进行比较的附加的试验结果；图1OA至图1OD示出了针对管和结构的不同实施方式所选择的机械参数的汇总；图11示出了示例性结构构件的一部分的立体端视图，示出了根据一个实施方式的嵌入的中央芯部、骨架结构和放置在凹口中的织物；图12是根据另一实施方式的示例性结构构件的局部侧视图，其中绳沿着条的远边延伸以抵抗凹口破坏传播；图13是根据又另一实施方式的示例性结构构件的立体图；图14是根据又另一实施方式的示例性结构构件的局部立体端视图；图15A至图15E示出了根据一个实施方式的结构构件的示例性永久接合连接的构造的不同阶段；图15F至图15G示出了根据另一实施方式的结构构件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件，所述结构构件包括：形成为期望形状的骨架的压缩材料条；设置在所述压缩材料条的侧面上的间隔开的凹口；以及抗拉材料，该抗拉材料绕所述骨架被编织成期望的织物并且被放置在所述凹口中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.03.04 US 61/449,4851.一种单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件，所述结构构件包括:形成为期望形状的骨架的压缩材料条；设置在所述压缩材料条的侧面上的间隔开的凹口 ；以及抗拉材料，该抗拉材料绕所述骨架被编织成期望的织物并且被放置在所述凹口中。2.根据权利要求1所述的结构构件，其中，所述压缩材料是碳纤维。3.根据权利要求1所述的结构构件，其中，所述抗拉材料是凯夫拉尔纤维。4.根据权利要求1所述的结构构件，该结构构件还包括由Zylon制成的内部绳形成的嵌入芯部。5.根据权利要求1所述的结构构件，其中，所述织物的图案根据结构需要而变化。6.根据权利要求5所述的结构构件，其中，所述织物的角度在0°至180°之间变化。7.根据权利要求1所述的结构构件，该结构构件还包括被插入芯部中的高密度泡沫填料。8.根据权利要求1所述的结构构件，该结构构件还包括位于该结构构件上的涂层。9.根据权利要求8所述的结构构件，其中，所述涂层是抗紫外线的。10.根据权利要求9所述的结构构件，其中，所述涂层包含金属。11.根据权利要求1所述的结构构件，其中，防止了完全灾难性破坏。12.—种单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件，所述结构构件包括:` 长形骨架结构，该长形骨架结构包括多个材料条，其中这多个材料条沿着或绕着所述骨架结构的共用中心轴线纵向接合在一起并且具有相对于所述共用中心轴线间隔开的长远边；以及 间隔开的凹口，这些凹口被设置在所述材料条上，以锚固待绕所述骨架结构被编织成期望的织物的抗拉材料。13.根据权利要求12所述的结构构件，该结构构件还包括绕所述骨架结构被编织成期望的所述织物并且被放置在所述凹口中的所述抗拉材料。14.根据权利要求13所述的结构构件，其中，所述材料条包括由刚硬的弹性材料制成的条。15.根据权利要求14所述的结构构件，该结构构件还包括由抗破坏传播材料制成的中央芯部，所述中央芯部被嵌入所述骨架结构中并且沿着所述共用中心轴线延伸。16.根据权利要求15所述的结构构件，其中，所述结构构件是多层复合材料结构构件，其中所述条的材料、所述嵌入芯部的材料和所述织物的材料被选择为提供多重加载阶段的结构构件。17.根据权利要求15所述的结构构件，其中，所述嵌入的中央芯部包括由抗拉材料制成的嵌入芯部。18.根据权利要求15所述的结构构件，该结构构件还包括将所述织物粘合到所述凹口的结合剂。19.根据权利要求13所述的结构构件，其中，所述凹口沿着所述条的远边间隔开。20.根据权利要求19所述的结构构件，其中，放置在所述凹口中的所述织物被凹进成与所述条的所述远边齐平或位于所述条的所述远边内。21.根据权利要求20所述的结构构件，其中，在所述条中靠近所述凹口形成有抗破坏传播材料，以抵抗凹口破坏的传播。22.根据权利要求21所述的结构构件，其中，所述抗破坏传播材料包括抗拉材料。23.根据权利要求15所述的结构构件，其中，所述嵌入的中央芯部是张紧的或是松弛的。24.根据权利要求13所述的结构构件，其中，所述织物的抗拉材料包括凯夫拉尔纤维。25.根据权利要求13所述的结构构件，其中，所述织物的抗拉材料被预拉伸。26.根据权利要求13所述的结构构件，其中，所述材料条包括由碳纤维、玻璃或塑料制成的条。27.根据权利要求13所述的结构构件，其中，所述骨架结构具有从包括X形、十字形、T形和Y形的横截面组中选择的横截面。28.根据权利要求13所述的结构构件，该结构构件还包括长形通道，在该长形通道中用于承载液压部件、气动部件和/或电动部件。29.根据权利要求13所述的结构构件，该结构构件还包括插入这些条之间的高密度耐火泡沫填料。30.一种接合结构，所述接合结构包括: 单位质量承载能力增强的至少两个邻接的能量吸收结构构件，其中，所述结构构件中的每个结构构件均包括:包括多个材料条的长形骨架结构，其中所述多个条沿着或者绕着所述骨架结构的共用中心轴线纵向接合在一起，并且所述多个条的纵向远边相对于所述共用中心轴线间隔开；设置在所述材料条上的间隔开的凹口 ；以及抗拉材料，该抗拉材料绕所述骨架结构被编织成期望的织 物并且被放置在所述凹口中；以及 将所述结构构件接合在一起的至少一个接头部件。31.根据权利要求30所述的接合结构，其中，所述至少一个接头部件包括将所述骨架结构的邻接部分紧固在一起的至少一个抗压缩/抗拉伸构件。32.根据权利要求30所述的接合结构，其中，所述至少一个接头部件包括绕所述骨架结构的邻接部分编织或缠绕的抗拉材料。33.根据权利要求32所述的接合结构，其中，绕所述邻接部分编织或缠绕的所述抗拉材料设置在一树脂件中。34.根据权利要求30所述的接合结构，其中，所述长形骨架结构中的一个长形骨架结构的端部接合到所述长形骨架结构中的另一个长形骨架结构的端部，所述骨架结构的接合端部具有互补轮廓，并且由一个骨架结构的接合端部的相邻条形成的至少一个凹槽与由另一个骨架结构的接合端部的相邻条形成的至少一个凹槽大致对准。35.根据权利要求34所述的接合结构，其中，所述至少一个接头部件包括抗压缩构件，所述抗压缩构件固定地安置在大致对准的所述凹槽中并且将大致对准的所述凹槽接合在一起。36.根据权利要求35所述的接合结构，该接合结构还包括至少一个接头抗压缩树脂构件，这至少一个接头抗压缩树脂构件设置在由接合在一起的所述骨架结构的端部凹槽形成的至少一个内角部中。37.根据权利要求30所述的接合结构，其中，所述至少一个接合部件包括覆盖至少一对邻接构件长侧面的构型连接板以及将该连接板紧固至所述邻接构件长侧面的多个紧固件。38.根据权利要求37所述的接合结构，其中，所述紧固件包括与相应的第二紧固件部件匹配的第一紧固件部件，所述第二紧固件部件在所述邻接构件长侧面中的每个长侧面上被保持在形成于相邻条之间的凹槽中。39.根据权利要求38所述的接合结构，其中，所述第二紧固件部件和所述凹槽具有互补轮廓，其中所述第二紧固件被覆盖所述凹槽的所述织物保持安置在所述凹槽中并且所述板覆盖所述织物。40.根据权利要求39所述的接合结构，其中，每个第一紧固件均包括螺钉或螺栓，每个第二紧固件均包括相应的螺母，并且每个螺钉或螺栓均被接收在形成于所述板中的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·I·布罗克韦尔，
申请(专利权)人：M·I·布罗克韦尔，
类型：
国别省市：