CN113829676B - 用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元及夹层结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元及夹层结构，包括结构单元本体，结构单元本体包括四个侧板和八个三角形连接折板，四个侧板的顶部围合成一个呈开口状的顶面，顶面的侧边分别连接有一个侧板，侧板与顶面之间倾斜设置且侧板与顶面之间的夹角为钝角，相邻的两个侧板之间分别设有两个拼接在一起的三角形连接折板，两个三角形连接折板沿拼接线向顶面的中心处对折，三角形连接折板的另一条侧边分别与相邻的侧板连接。本发明折叠夹层结构单元通过倾斜的四个侧板使其在面外压溃过程中，能产生垂直方向上的弯曲变形趋势；呈垂直状态的三角形连接折板在压溃过程中能给面外方向提供有力支撑，提升结构单元的抗压溃性能和能量吸收特性。
Description
技术领域
本发明涉及夹层结构技术领域，尤其是涉及用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元及夹层结构。
背景技术
夹层结构是一种复合构造的板结构，通常由上下两个面板和中间较轻且可压溃的芯层结构组成。动态载荷是在非常短暂的时间内，速度发生急剧变化的载荷，如冲击载荷和***载荷等。
夹层结构因其轻量化设计、高吸能、高比强度等特性，已被广泛应用于***、冲击等动态载荷的防护结构设计之中。夹层结构通常由上下面板和多胞夹层组成，夹层结构单元的拓扑结构形式多样，典型的结构形式有蜂窝、波纹、泡沫、点阵、格栅、负泊松比等。但这些拓扑结构目前尚存在各自结构自身的不足与缺点，导致其并不完全适用于动态载荷作用下结构的防护。比如，传统蜂窝夹层结构面外压溃初始峰值力大，且与加载速率呈正相关，不适宜用于不同加载速率下的结构防护；金属泡沫夹层结构初始峰值力低、压溃过程有较长行程，和稳定的变形失效模式，但因其压溃应力较低，且加工工艺复杂造价较高，作为理想吸能结构有一定的局限性；点阵、格栅、负泊松比夹层结构构型复杂，许多结构的加工制造仍停留在小尺寸3D打印阶段，致使其造价较高同时不适宜用于实际应用中大型结构的防护。
折叠型夹层结构拓宽了夹层结构构型的选择，同时能获取传统夹层结构所缺乏的力学性能优势，但部分折叠夹层结构仍存在自身缺点。比如典型三浦(Miura)折纸折叠夹层结构抗压溃性能较低，变形模式较差，初始峰值力较为明显；立方体带(Cube strip)折叠夹层结构抗压溃性能较三浦折叠夹层结构提升很大，但因其加工工序及过程较复杂，不适宜批量制造投入实际工程结构防护应用之中。此外，以上结构通常需要提前确定被防护结构的尺寸和防护性能再进行加工制造，无法实现防护夹层结构的模块化装配加工和结构单元之间的互换替用，使其结构设计缺乏灵活性并增加了生产应用的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元及夹层结构，以克服现有夹层结构的能量吸收特性以及加工制造的缺点与不足。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元，包括结构单元本体，所述结构单元本体包括四个侧板和八个三角形连接折板，四个所述侧板的顶部围合成一个呈开口状的顶面，所述顶面的侧边分别连接有一个所述侧板，所述侧板与所述顶面之间倾斜设置且所述侧板与所述顶面之间的夹角为钝角，相邻的两个所述侧板之间分别设有两个相同的拼接在一起的所述三角形连接折板，两个所述三角形连接折板沿拼接线向所述顶面的中心处对折，所述三角形连接折板的另一条侧边分别与相邻的所述侧板连接。
进一步地，所述顶面为矩形平面，相对设置的所述侧板为相同的等腰梯形结构。
进一步地，所述顶面为正方形平面，四个所述侧板为相同的等腰梯形结构。
进一步地，所述侧板和所述三角形连接折板为一体成型结构。
进一步地，所述结构单元本体由所述侧板和所述三角形连接折板刚性折叠形成。
进一步地，所述侧板和所述三角形连接折板采用薄铝板刚性折叠形成。
根据本发明的另一个目的，本发明提供一种夹层结构，包括上述用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元，所述结构单元本体呈矩阵式排布，所述结构单元本体的上表面或下表面分别粘合有上面板或下面板。
进一步地，所述结构单元本体呈横向或纵向排列。
本发明的技术方案折叠夹层结构单元通过倾斜的四个侧板使其在面外压溃过程中，能产生垂直方向上的弯曲变形趋势；而呈垂直状态的三角形连接折板则在压溃过程中能给面外方向提供有力的支撑，提升结构单元的抗压溃性能和能量吸收特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例折叠夹层结构单元的三维示意图；
图2是本发明实施例折叠夹层结构单元的主视图；
图3是本发明实施例折叠夹层结构单元的俯视图；
图4是本发明实施例折叠夹层结构单元完全折平时的二维平面图案示意图；
图5是本发明实施例添加刚性折痕标示线后折叠夹层结构单元完全折平时的二维平面图案示意图；
图6是本发明实施例折叠夹层结构的模块化装配设计图；
图7是本发明叠夹层结构在***载荷作用下保护结构的示意图；
图8是本发明实施例相对密度为2.3％的折叠夹层结构单元试件与相对密度为4.2％的长方体泡沫铝试件在准静态压溃作用下的压溃应力应变图。
附图标记说明：
图中：1-结构单元本体、2-顶面、3-侧板、4-三角形连接折板、5-上面板、6-下面板、7-***载荷、8-原始面板、9-折痕标示线、10-被防护结构、11-方形小螺丝。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1-图3所示：
一种用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元，包括结构单元本体1，结构单元本体1包括四个侧板3和八个三角形连接折板4，结构单元本体1由侧板3和三角形连接折板4刚性折叠形成。
折叠完成后结构单元本体1的形态为：四个侧板的顶部围合成一个呈开口状的顶面2，顶面2的侧边分别连接有一个侧板3，侧板3与顶面2之间倾斜设置且侧板3与顶面2之间的夹角为钝角，相邻的两个侧板3之间分别设有两个相同的拼接在一起的三角形连接折板4，两个三角形连接折板4沿拼接线向顶面的中心处对折，两个三角形连接折板4的另一条侧边分别与相邻的侧板3连接。
本实施例中四个侧板的顶部围合成的呈开口状的顶面2可以为矩形平面，当呈开口状的顶面2为矩形平面时，位于矩形平面相对侧的侧板3为相同的等腰梯形结构。
应当理解的是，本实施例提到的顶面2实际是四个侧板3围合而成的一个形状，并不是正式存在的结构面，只是一种虚拟的平面，顶面2本身不是本发明结构单元本体1的具体构件，而仅作为方便描述本发明的一个虚拟平面。
实施例2
本实施例与实施例1的结构基本相同，其不同之处在于，本实施例中四个侧板的顶部围合成的呈开口状的顶面2为正方形平面，当呈开口状的顶面2为正方形平面时，与正方形平面的侧边连接的四个侧板3为相同的等腰梯形结构。
如图4和图5所示，本实施例中折叠夹层结构单元为特定设计的二维平面图案通过刚性折叠所形成的三维立体结构，折叠夹层结构单元由四个相同的等腰梯形面及四个相同的三角形连接折板组合而成。折叠夹层结构单元倾斜的四个侧板使其在面外压溃过程中，能产生垂直方向上的弯曲变形趋势；而垂直的四个三角形连接折板则在压溃过程中能给面外方向提供有力的支撑，提升结构单元的抗压溃性能和能量吸收特性。侧板倾角以及三角形连接折板的尺寸大小也可以根据实际性能需要，对二维平面图案各部分尺寸进行调整，从而获取具备不同的力学特性的折叠夹层结构单元。
如图1-图3所示，本发明折叠夹层结构单元三维构造形似截掉一部分的正四棱台结构，并在正四棱台四个棱边位置向内折叠两个相连的三角形面。
如图4所示，折叠夹层结构单元完全折平的二维平面图案为特定十二边形图案，由完整的平面从中心裁剪掉边长为a的正方形，同时裁剪出外边尺寸分别为b和y，有规则次序组合的由薄铝板制成原始面板8。
如图5所示，原始面板8通过激光切割添加向外和向内的刚性折叠折痕标示线9后，可由一个呈开口的正方形顶面、四个相同的等腰梯形和八个相同的三角形连接折板组合形成的图案进行表述；其中点划线和点线线段分别表示向外和向内刚性折叠折痕，在刚性折叠过程中，与该线段所相邻的平面分别向外和向内发生刚性折叠，形成折叠夹层结构单元。
上述二维平面图案亦可视为：正方形边长为a，大小与四个等腰梯形上底一致且重合；等腰梯形底边为b，底角为g；等腰梯形上下平行两条边的距离为c；等腰梯形的腰长度为l，且为三角形连接折板的最长边；每两个三角形连接折板共享一条短边x组成一对，并与相邻两个等腰梯形分别共享正方形四个点。H为单元高度。二维平面图案的几何关系由三个基本量a、b、H所决定；其余物理量可由刚性折叠特性以及折纸基本原则进行推导得出，存在以下关系：
y＝x2+l2-2xl·cosα
本发明折叠夹层结构单元，在动态荷载作用下结构单元能很好地发挥其能量吸收特性，保护结构的重要构件，起防护作用；并且能模块化地适配实际工程结构的需求，组装不同尺寸的夹层结构。
实施例3
如图6所示，一种夹层结构，包括用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元，结构单元本体1呈矩阵式排布，结构单元本体1的上表面或下表面分别粘合有上面板5或下面板6。
为了限制结构单元本体1的侧板3的底边在形变过程中张开滑移，在下面板6上设置了一颗一颗的方形小螺丝11，作为边界，用于限制结构单元本体1的侧板3的底边在形变过程中张开滑移。
结构单元本体1呈横向或纵向排列，折叠夹层结构单元可沿纵向、横向进行排列组合，装配特定数量、层数和特定力学性能的模块化折叠夹层结构单元，获取符合实际工程的应用要求的夹层结构。
如图7所示，折叠夹层结构在***载荷7作用下对被防护结构10进行防护。
如图8所示，相对密度为2.3％的本发明折叠夹层结构薄铝板单元试件与相对密度为4.2％的长方体泡沫铝试件在准静态压溃作用下的压溃应力应变图，由于目前加工生产工艺技术的限制，从市面上所获取到的泡沫铝相对密度为4.2％，约为图种所采用的新型模块化折叠夹层结构单元试件的2倍，但两者的平均压溃应力基本持平。
本发明一种用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元及其夹层结构，以克服现有夹层结构的能量吸收特性以及加工制造的缺点与不足，在保持轻量化结构设计的同时，该结构单元的抗压溃性能和能量吸收能力能超过同相对密度的现有结构；此外，该结构单元的力学特性受加载速率的影响较低，适宜应用于不同速率下碰撞、冲击等载荷作用下的结构防护。兼具模块化设计的优点，其独立可控的结构单元尺寸，可通过非连续加工方法大批量制造，再根据实际工程的应用要求进行模块化装配，胞元组合类似拼瓷砖，可针对不同载荷的防护要求以及所防护结构的尺寸形状(如关键梁、柱、墙面等结构)，组装出不同尺寸、形状和力学性能需求的防护夹层结。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元，其特征在于，包括结构单元本体，所述结构单元本体包括四个侧板和八个三角形连接折板，四个所述侧板的顶部围合成一个呈开口状的顶面，所述顶面的侧边分别连接有一个所述侧板，所述侧板与所述顶面之间倾斜设置且所述侧板与所述顶面之间的夹角为钝角，相邻的两个所述侧板之间分别设有两个相同的拼接在一起的所述三角形连接折板，两个所述三角形连接折板沿拼接线向所述顶面的中心处对折，所述三角形连接折板的另一条侧边分别与相邻的所述侧板连接；所述顶面为正方形平面，四个所述侧板为相同的等腰梯形结构；所述侧板和所述三角形连接折板为一体成型结构；所述结构单元本体由所述侧板和所述三角形连接折板刚性折叠形成。
2.根据权利要求1所述的用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元，其特征在于，所述侧板和所述三角形连接折板采用薄铝板刚性折叠形成。
3.一种夹层结构，其特征在于，包括权利要求1-2任一所述的用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元，所述结构单元本体呈矩阵式排布，所述结构单元本体的上表面或下表面分别粘合有上面板或下面板。
4.根据权利要求3所述的夹层结构，其特征在于，所述结构单元本体呈横向或纵向排列。
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