CN105082635A - 一种多周期吸能结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多周期吸能结构，该结构由上层板单元、中空吸能单元、中间夹心板单元和下层板单元构成，顶层中空吸能单元上方设有上层板单元，底层中空吸能单元上方设有下层板单元，中空吸能单元之间设有中间夹心板单元；相邻单元由环氧胶粘接或者由焊接方式固定形成；中空吸能层由圆锥体、正n棱椎体或半椭圆体中的一种立体结构构成，n≥3；所述中空吸能层中立体结构的高线和上、下板单元垂直，上、下层板单元与中间夹心板单元互相平行。本发明与现有技术相比，其整体尺寸将大大缩短，材料整体密度低，质量轻盈。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸能结构，具体涉及一种多周期吸能结构。
背景技术
吸能结构对强大的冲击力具有缓冲保护作用，可以靠本身发生的某些变化(例如自身结构的形变)将外在冲击力转换成其内能，从而达到吸收外界冲击能量的作用。吸能结构的这种特性使其在交通运输装置防撞(如汽车侧面的防撞结构)、生产生活安全防护、包装运输等领域具有非常重要的应用。最理想的吸能结构应该具有如下特点：(1)质量轻；(2)体积小；(3)吸能效果好；(4)碰撞热量的及时释放。现存技术包括中空薄壁结构和金属蜂窝结构等，这些材料在一定场合的吸能效果较理想，但是它们具有共同的缺点，第一是它们的结构尺度较大，同时在碰撞过程中形变量大，并且由于结构特点，碰撞过程中结构对于冲击力的承受不均匀，这使得它们在某些重要的场合不能应用。举例来讲，现有蜂窝铝结构在车辆防撞方面具有较好的缓冲吸能效果，但是，如果要起到较好的防护效果，其轴向长度在米数量级。另外，蜂窝结构在吸能效率(单位质量可以吸收的能量)方面仍然具有较大的改进空间。由于现有结构的这一缺点，使其不能应用在轿车的侧面防护上。而轿车的侧面防护恰恰是最为薄弱的，因为现有的轿车正面都有整体的碰撞吸能结构设计，可以在一定程度上有效保护驾乘人员的安全。同时，重型货车的驾驶室几乎位于车身的最前端，前面也需要非常强的缓冲吸能结构，这对于保护驾乘人员的意义非常重大。
发明内容
为解决以往吸能结构因厚度过大而限制其应用场合的问题，本发明提出了一种多周期吸能结构，该结构在吸能效率方面将有极大程度的提高，从而降低整体的厚度和质量，极大拓展其应用空间。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多周期吸能结构，该结构由上层板单元、中空吸能单元、中间夹心板单元和下层板单元构成，顶层中空吸能单元上方设有上层板单元，底层中空吸能单元上方设有下层板单元，中空吸能单元之间设有中间夹心板单元；相邻单元由环氧胶粘接或者由焊接方式固定形成；中空吸能层由中空圆锥体、中空正n棱椎体或中空半椭圆体中的一种立体结构构成，n≥3；所述中空吸能层中立体结构的高线和上、下板单元垂直，上、下层板单元与中间夹心板单元互相平行。
所述中空吸能层单元的层数m≥1，所述夹心面板的层数比为m-1。
所述每一层中空吸能单元结构完全相同，每一层中空吸能单元高度范围为50nm～1cm。
所述上、下层板单元厚度为1mm～5mm，中间夹心板单元厚度为50nm～2mm。
所述中空吸能单元中空圆锥体高度与中空圆锥体底面直径的比值为1～10，所述中空吸能单元中空正n棱椎体高度与中空正n棱椎体对角线长的比值为1～10；所述中空吸能单元中空半椭圆体高度与中空半椭圆体底面圆直径的比值为1～10。
所述的中空吸能单元的每一个结构体上都具有开口结构，开口结构为一个或多个；开口结构与其所在的结构的截面相似，顶点同向。
所述的中空吸能单元中结构体的排列方式为规则排列，其单胞为平行四边形或正六边形。
相邻中空吸能单元之间的空间关系为投影完全重合、偶数层之间投影重合、奇数层之间投影重合，奇数层的单个格点投影于偶数层的单胞几何中心中的一种。
所述中空吸能单元的层间排列，若定义结构体顶点方向向上为1，顶点方向向下为-1，则整个吸能结构的排列方式有(1,1，1，1…)和(1，-1，1，-1,1……)。
所述上、下层板单元的材料为纸类材料、木纤维复合材料、碳纤维复合材料金属合金、玻璃纤维复合材料、陶瓷或人工聚合物材料；所述中间夹心板单元的材料为纸类材料、木纤维复合材料、碳纤维复合材料金属合金、玻璃纤维复合材料、陶瓷或人工聚合物材料。
与现有技术相比，本发明所采用的技术方案具有以下优点：
1)所述的多周期吸能结构由于结构中空，板组织与板组织之间存在较大间距，所以材料整体密度低，质量轻盈。
2)所述的多周期吸能结构，由于采用了微纳米级的中空椎体作为缓冲吸能结构，在单位长度上，可以获得更多的缓冲单元，因此，与现有技术相比，其整体尺寸将大大缩短。可以直接应用于车体的内层，对驾乘人员进行有效保护。也可以设计成车门或者不同结构的“盔甲”附着于轿车侧面车门外部或者重型货车的前脸外部。
3)所述的多周期吸能结构中中空结构阵列的层数包括但不仅限于一层，可根据需要场所大小，来合理选择该结构阵列的层数，同时相应增加夹心面板的层数。材料整体的厚度也可以随应用场合的要求而改变。
4)所述的多周期吸能结构，其整体的形状可以是平板形，但是并不限定为平板形，可以根据应用场合的要求而做相应改变，比如，应用于摩托车头盔中，结构整体可贴合头盔的外形。
5)本发明不仅限于缓冲吸能应用，在电磁屏蔽、微波传输等领域，经过一定设计、计算，本发明也可以发挥作用。
附图说明
图1为本发明(以中空圆锥体为例)的正视图；
图2为本发明的左视图；
图3为本发明的俯视图；
图4，本发明中的中空吸能单元可以采用六棱锥结构；
图5，本发明中的中空吸能单元可以采用半椭球体壳结构；
图6，当中空吸能单元层数m≥2，层与层之间的排列可以是奇数层重合。偶数层重合，奇数层锥顶投影至偶数层；
图7，当中空吸能单元层数m≥2，层与层之间可以是锥顶与锥顶相对的排列。
具体实施方式
如图1-7所示，一种多周期吸能结构，该结构由上层板单元1、中空吸能单元2、中间夹心板单元4和下层板单元5构成，顶层中空吸能单元上方设有上层板单元，底层中空吸能单元上方设有下层板单元，中空吸能单元之间设有中间夹心板单元；相邻单元由环氧胶粘接或者由焊接方式固定形成；中空吸能层由中空圆锥体、中空正n棱椎体或中空半椭圆体中的一种立体结构构成，n≥3；所述中空吸能层中立体结构的高线和上、下板单元垂直，上、下层板单元与中间夹心板单元互相平行。
所述中空吸能层单元的层数m≥1，所述夹心面板的层数比为m-1。
所述每一层中空吸能单元结构完全相同，每一层中空吸能单元高度范围为50nm～1cm。
所述上、下层板单元厚度为1mm～5mm，中间夹心板单元厚度为50nm～2mm。
所述中空吸能单元中空圆锥体高度与中空圆锥体底面直径的比值为1～10，所述中空吸能单元中空正n棱椎体高度与中空正n棱椎体对角线长的比值为1～10；所述中空吸能单元中空半椭圆体高度与中空半椭圆体底面圆直径的比值为1～10。
所述的中空吸能单元的每一个结构体上都具有开口结构3，开口结构3为一个或多个；开口结构与其所在的结构的截面相似，定点同向。
所述的中空吸能单元中结构体的排列方式为规则排列，其单胞为平行四边形或正六边形。
相邻中空吸能单元之间的空间关系为投影完全重合、偶数层之间投影重合、奇数层之间投影重合，奇数层的单个格点投影于偶数层的单胞几何中心中的一种。
所述中空吸能单元的层间排列，若定义结构体顶点方向向上为1，顶点方向向下为-1，则整个吸能结构的排列方式有(1,1，1，1…)和(1，-1，1，-1,1……)。
所述上、下层板单元的材料为木纤维复合材料、碳纤维复合材料金属合金、玻璃纤维复合材料、陶瓷或人工聚合物材料；所述中间夹心板单元的材料为木纤维复合材料、碳纤维复合材料金属合金、玻璃纤维复合材料、陶瓷或人工聚合物材料。
参见图1，该吸能结构采用中空中空圆锥体。中空圆锥体的底部有开口结构。其中中空圆锥体的高度为480μm，壁厚为10μm，底面直径约为257μm(外圈)，椎体底部开口结构的高度为100um。中间夹心层厚度为20μm，结构总层数为40层，上、下板厚度为2mm。该结构中的中空中空圆锥体的阵列在面内排列为规则正方格子，两椎体底面圆心距a为550μm。层与层之间的排列，该结构采用的是同向，投影完全重合排列。该结构所用材料均为铝，各结构之间通过环氧胶粘接整个结构整体厚度为2.4cm。
该结构的工艺过程简单介绍如下：首先利用微细冲压技术在高质量铝箔上制备出带有一系列的圆锥底部开孔图形的母板。然后利用高精确度的冲压模板对母板进行冲压，得到具有中空圆锥体阵列，为保证冲压效果良好以及中空圆锥体顶部可以与相邻层的粘接效果良好，中空圆锥体实质为切去一部分的圆锥台，其顶部直径为25μm(外圈)。然后各层将以环氧树脂胶粘接，获得整体结构。
作为备选方案，该结构可以利用MEMS技术或者3D打印技术实现。
具体实施方式二
该吸能结构采用中空中空圆锥体。中空圆锥体的底部有开口结构。其中中空圆锥体的高度为10mm，壁厚为0.1mm，底面直径约为5mm(外圈)，椎体底部开口结构的高度为2mm。中间夹心层厚度为0.1mm，结构总层数为10层，上、下板厚度为0.2mm。该结构中的中空中空圆锥体的阵列在面内排列为规则正方格子，两椎体底面圆心距为10mm。层与层之间的排列，该结构采用的是同向，投影完全重合排列。该结构所用材料均为纸，各结构之间通过环氧胶粘接。
Claims (10)
1.一种多周期吸能结构，其特征在于：该结构由上层板单元、中空吸能单元、中间夹心板单元和下层板单元构成，顶层中空吸能单元上方设有上层板单元，底层中空吸能单元上方设有下层板单元，中空吸能单元之间设有中间夹心板单元；相邻单元由环氧胶粘接或者由焊接方式固定形成；中空吸能层由中空圆锥体、中空正n棱椎体或中空半椭圆体中的一种立体结构构成，n≥3；所述中空吸能层中立体结构的高线和上、下板单元垂直，上、下层板单元与中间夹心板单元互相平行。
2.根据权利要求1所述的一种多周期吸能结构，其特征在于：所述中空吸能层单元的层数m≥1，所述夹心面板的层数比为m-1。
3.根据权利要求1所述的一种多周期吸能结构，其特征在于：所述每一层中空吸能单元结构完全相同，每一层中空吸能单元高度范围为50nm～1cm。
4.根据权利要求1所述的一种多周期吸能结构，其特征在于：所述上、下层板单元厚度为1mm～5mm，中间夹心板单元厚度为50nm～2mm。
5.根据权利要求1所述的一种多周期吸能结构，其特征在于：所述中空吸能单元中空圆锥体高度与中空圆锥体底面直径的比值为1～10，所述中空吸能单元中空正n棱椎体高度与中空正n棱椎体对角线长的比值为1～10；所述中空吸能单元中空半椭圆体高度与中空半椭圆体底面圆直径的比值为1～10。
6.根据权利要求1所述的一种多周期吸能结构，其特征在于：中空吸能单元的每一个结构体上都具有开口结构，开口结构为一个或多个；开口结构与其所在的结构的截面相似，定点同向。
7.根据权利要求1所述的一种多周期吸能结构，其特征在于：所述的中空吸能单元中结构体的排列方式为规则排列，其单胞为平行四边形或正六边形。
8.根据权利要求1所述的一种多周期吸能结构，其特征在于：相邻中空吸能单元之间的空间关系为投影完全重合、偶数层之间投影重合、奇数层之间投影重合，奇数层的单个格点投影于偶数层的单胞几何中心中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种多周期吸能结构，其特征在于：中空吸能单元的层间排列，若定义结构体顶点方向向上为1，顶点方向向下为-1，则整个吸能结构的排列方式有(1,1，1，1…)和(1，-1，1，-1,1……)。
10.根据权利要求1所述的一种多周期吸能结构，其特征在于：所述上、下层板单元的材料为木纤维复合材料、碳纤维复合材料金属合金、玻璃纤维复合材料、陶瓷或人工聚合物材料；所述中间夹心板单元的材料为木纤维复合材料、碳纤维复合材料金属合金、玻璃纤维复合材料、陶瓷或人工聚合物材料。
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20151125 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |