CN111017270B - 一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构，包括圆管胞元及基板，基板包括上基板、下基板和侧向圆弧基板，上基板、下基板和侧向圆弧基板首尾相接，围成具有负泊松比特性的封闭结构，侧向圆弧基板通过迭代方式确定其形状；圆管胞元置于基板中，根据
Figure DDA0002329171740000011
确定n1的个数；在基板中心区域水平布置圆管胞元，在该层上下，分别按照等差数列方式逐层递增布置圆管胞元，公差为1，直至与上基板、下基板贴合为止；与圆管胞元的接触区域均相互固定连接；所有圆管胞元与侧向圆弧基板均不接触。本发明结构具备零泊松比或负泊松比效应，单个结构不装配即可得到层级的压溃力，便于降低冲击过载。

Description

一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构
技术领域
本发明属于航天器着陆缓冲技术领域，涉及一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构。
背景技术
缓冲装置在航天器着陆过程中是必不可少的，航天器***需要使用缓冲装置来减小着陆过程对内部的人员和载荷的冲击。结构塑性吸能是缓冲装置常用的吸能形式，例如传统的缓冲装置多采用铝蜂窝(其压溃会产生塑形变形)进行缓冲耗能。吸能结构一般放置在圆柱形筒内，吸能过程中，内部结构件沿筒壁滑动，因此，吸能结构压溃时及压溃后都不能与筒壁接触。
这就要求吸能结构必须具有非正泊松比特性。泊松比特性是结构的横向应变与纵向应变之比。非正泊松比即为：
Figure BDA0002329171720000011
铝蜂窝虽然其压缩吸能效率高，但是压溃后略显正泊松比效应，其容易在压溃过程中与筒壁接触，对筒壁产生划伤。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构，单个结构不装配即可得到层级的压溃力，便于降低冲击过载，具备零泊松比或负泊松比效应。
本发明解决技术的方案是：
一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构，包括圆管胞元及基板，
基板包括上基板、下基板和侧向圆弧基板，上基板、下基板和侧向圆弧基板首尾相接，围成具有负泊松比特性的封闭结构，侧向圆弧基板通过迭代方式确定其形状；
圆管胞元置于基板中，根据
Figure BDA0002329171720000021
确定n1的个数，其中n1为基板中心区域水平布置圆管胞元的数量，L1侧向圆弧基板的最小间距；D为圆管胞元的直径；
在基板中心区域水平布置圆管胞元，在该层上下，分别按照等差数列方式逐层递增布置圆管胞元，公差为1，直至与上基板、下基板贴合为止；与圆管胞元的接触区域均相互固定连接；所有圆管胞元与侧向圆弧基板均不接触。
优选的，侧向圆弧基板厚度与上基板、下基板一致。
优选的，侧向圆弧基板厚度为0.1-0.3mm。
优选的，侧向圆弧基板圆弧角20-40°。
优选的，基板的压溃平台力为3000-5000N。
优选的，圆管胞元为铝合金或钛合金，圆管胞元厚度为0.03-0.05mm。
优选的，力作用在上基板上，在压溃过程中，载荷逐渐从上基板传递圆管包圆并依次向下传递，中心区域圆管首先被压溃，再上下依次压馈，压馈过程中侧向基板与圆管胞元不接触，在压溃过程中，逐渐压溃数量不同圆管胞元，从而出现多个阶梯平台力，进而得到不同的缓冲过载。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明结构具备零泊松比或负泊松比效应，单个结构不装配即可得到层级的压溃力，便于降低冲击过载；
(2)本发明在压溃过程中，逐渐压溃数量不同圆管胞元，从而出现多个阶梯平台力，进而便于得到不同的缓冲过载。
附图说明
图1为本发明圆管胞元构型及布置示意图；
图2为本发明基板的载荷施加示意图；
图3为本发明基板的构型示意图；
图4为本发明非正泊松比结构压溃曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构，如图1所示，包括圆管胞元及基板，基板包括上基板、下基板和侧向圆弧基板，如图3所示，上基板、下基板和侧向圆弧基板首尾相接，围成具有负泊松比特性的封闭结构，侧向圆弧基板通过迭代方式确定其形状；侧向圆弧基板厚度与上基板、下基板一致，侧向圆弧基板厚度为0.1-0.3mm，侧向圆弧基板圆弧角20-40°，基板的压溃平台力为3000-5000N。
圆管胞元置于基板中，如图1所示，
根据
Figure BDA0002329171720000031
确实n1的个数，其中n1为基板中心区域水平布置圆管胞元的数量，L1侧向圆弧基板的最小间距；D为圆管胞元的直径；
在基板中心区域水平布置圆管胞元的上下，按照等差数列方式逐层递增，公差为1，直至与上基板、下基板贴合为止；与圆管胞元的接触区域均相互固定连接；所有圆管胞元与侧向圆弧基板均不接触。
圆管胞元为铝合金或钛合金，圆管胞元厚度为0.03-0.05mm。
在设计中，首先确定基板的基本尺寸：长宽高(L、H、W)，其设计依据为缓冲装置所能提供的缓冲空间。基本尺寸确定后，设置垂直于L、W面的为X方向，垂直于L、H面的为Z方向，垂直于H、W面的为Y方向。
采用Ls-dyna显式有限元软件进行分析。利用Belytschko-Tsay算法的shell单元，材料采用弹塑性材料本构。整个模型定义单面自动接触，动摩擦系数设为0.1。进行网格划分，网格单元尺度为整体尺寸的1％，例如尺度为100mm的基板，其基本单元尺寸为1mm。
沿着图2所示，完成载荷边界施加，计算后，提取横向及纵向位移，从分析结果可以得出。
基板X方向的位移与Y方向的位移之比，具有负泊松比效应；Z方向无位移变化，具有零泊松比效应。通过提取刚性墙的约束反力，可知基板具有平台力。
工作原理：力作用在上基板上，如图2所示，在压溃过程中，载荷逐渐从上基板传递圆管包圆并依次向下传递，中心区域圆管首先被压溃，再上下依次压馈，压馈过程中侧向基板几乎与圆管胞元不接触，因此，宏观的泊松比效应完全依靠基板来保证。载荷由上基板传递至内部填充的圆管上，均匀向下传递。且圆管在X方向上的布置存在“沙漏”式，在压溃过程中，逐渐压溃数量不同圆管胞元，从而出现多个阶梯平台力，如图4所示，进而便于得到不同的缓冲过载。
本发明结构具备零泊松比或负泊松比效应，单个结构不装配即可得到层级的压溃力，便于降低冲击过载。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构，其特征在于，包括圆管胞元及基板，
基板包括上基板、下基板和侧向圆弧基板，上基板、下基板和侧向圆弧基板首尾相接，围成具有负泊松比特性的封闭结构，侧向圆弧基板通过迭代方式确定其形状；
圆管胞元置于基板中，根据
Figure FDA0003297800570000011
确定n1的个数，其中n1为基板中心区域水平布置圆管胞元的数量，L1侧向圆弧基板的最小间距；D为圆管胞元的直径；
在基板中心区域水平布置圆管胞元，在该层上下，分别按照等差数列方式逐层递增布置圆管胞元，公差为1，直至与上基板、下基板贴合为止；与圆管胞元的接触区域均相互固定连接；所有圆管胞元与侧向圆弧基板均不接触；
侧向圆弧基板圆弧角20-40°；
在设计中，首先确定基板的基本尺寸：长宽高L、H、W，其设计依据为缓冲装置所能提供的缓冲空间，基本尺寸确定后，设置垂直于L、W面的为X方向，垂直于L、H面的为Z方向，垂直于H、W面的为Y方向；基板X方向的位移与Y方向的位移之比，具有负泊松比效应；Z方向无位移变化，具有零泊松比效应；
力作用在上基板上，在压溃过程中，载荷逐渐从上基板传递圆管胞元并依次向下传递，中心区域圆管首先被压溃，再上下依次压馈，压馈过程中侧向基板与圆管胞元不接触，宏观的泊松比效应完全依靠基板来保证，载荷由上基板传递至内部填充的圆管上，均匀向下传递，且圆管在X方向上的布置存在沙漏式，在压溃过程中，逐渐压溃数量不同圆管胞元，从而出现多个阶梯平台力，进而得到不同的缓冲过载，单个结构不装配即可得到层级的压溃力，便于降低冲击过载。
2.根据权利要求1所述的一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构，其特征在于：侧向圆弧基板厚度与上基板、下基板一致。
3.根据权利要求2所述的一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构，其特征在于：侧向圆弧基板厚度为0.1-0.3mm。
4.根据权利要求1所述的一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构，其特征在于：基板的压溃平台力为3000-5000N。
5.根据权利要求1所述的一种圆管填充的非正泊松比缓冲吸能结构，其特征在于：圆管胞元为铝合金或钛合金，圆管胞元厚度为0.03-0.05mm。
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