一种用于机械缓冲的曲壁点阵结构 专利技术说明

工程元件,部件;绝热;紧固件装置的制造及其应用技术1.本实用新型涉及缓冲吸能技术领域，具体是一种用于机械缓冲的曲壁点阵结构。背景技术：2.吸收机械冲击和振动能量对兵器装备、航空航天以及医疗设备等现代工业的发展十分关键。其中，点阵结构作为一种有序多孔结构，具有优异的比强度和比刚度，给机械设备的能量吸收带来了新的选择，在航空航天、交通运输和生物医学领域显示出广阔的工业应用潜力。3.现有缓冲吸能点阵结构设计的主要策略是利用空心结构和细长杆/板的失稳来实现相应的功能，如模态转换、多稳定系统和非线性响应等。然而，利用这种策略使得点阵结构具有较高的初始载荷峰值，使其在承载过程中韧性较差且由于应力集中容易直接发生断裂，导致结构的载荷-位移曲线波动较大，难以实现对外来动态载荷的有效缓冲。现有的研究虽然已经很好地处理了细长直杆/板的屈曲失稳问题，但对弯曲薄壁点阵结构在承受外来载荷时的相互作用机制和能量吸收行为的研究还不够充分。技术实现要素：4.本实用新型意在提供一种用于机械缓冲的曲壁点阵结构，能够具有优异的动态压缩性能以及能量吸收性能。5.为了达到上述目的，本实用新型的基础方案如下：一种用于机械缓冲的曲壁点阵结构，包括上承载面板、下承载面板和曲壁结构，所述曲壁结构包括若干横向曲壁和纵向曲壁，若干所述横向曲壁均为正弦状，且所述横向曲壁的波峰与相邻横向曲壁的波谷位置相对应，若干所述纵向曲壁垂直固定在若干横向曲壁之间，每两段横向曲壁和两段纵向曲壁围合为一个点阵单胞，每个所述点阵单胞中的两个纵向曲壁形状为该点阵单胞中任一横向曲壁形状分别顺时针、逆时针旋转90°获得。6.进一步，若干所述横向曲壁从上至下波峰幅值梯度减小。7.进一步，若干所述横向曲壁从上至下厚度梯度增大，且每个所述点阵单胞中的两个纵向曲壁中点的厚度与该点阵单胞中任一横向曲壁厚度相同，每个所述纵向曲壁厚度均匀过渡。8.进一步，还包括若干凸台，位于顶部所述横向曲壁的最高点通过凸台与上承载面板固定，位于底部的所述横向曲壁的最低点通过凸台与下承载面板固定。9.本方案的有益效果：(1)本方案中的曲壁结构为正弦状，在受到冲击载荷后，载荷由承载面板传递给弯曲薄壁，主要由弯曲薄壁发生变形承担，在冲击受压变形过程中曲壁点阵结构呈现出负泊松比效应，整体向冲击中心收缩，具有优异的动态压缩性能以及能量吸收性能。10.(2)本方案还可以通过调节曲壁结构厚度梯度变化，在冲击受压过程中结构首先从薄弱处开始变形，薄弱处弯曲薄壁破坏后，下一层较强的弯曲薄壁仍能承担冲击载荷，起到了缓冲减震的作用。11.(3)本方案还可以通过调节曲壁结构波峰幅值梯度变化，使该梯度曲壁点阵结构在不同程度冲击载荷下都能起到一定效果，进而拓宽其应用范围，可实施到诸多领域。附图说明12.图1为本实用新型实施例一的结构示意图；13.图2为本实用新型实施例一中点阵单胞的结构示意图；14.图3为本实用新型实施例二的结构示意图；15.图4为本实用新型实施例三的结构示意图；16.图5为本实用新型实施例一、实施例二和实施例三在相同的冲击能量下的加速度时间曲线图。具体实施方式17.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。18.说明书附图中的附图标记包括：上承载面板1、下承载面板2、横向曲壁3、纵向曲壁4、凸台5。19.实施例一20.基本如附图1所示：一种用于机械缓冲的曲壁点阵结构，包括上承载面板1、下承载面板2、曲壁结构和若干凸台5，曲壁结构包括若干横向曲壁3和纵向曲壁4，若干横向曲壁3均为正弦状，且横向曲壁3的波峰与相邻横向曲壁3的波谷位置相对应，若干纵向曲壁4垂直固定在若干横向曲壁3之间，纵向曲壁4为与横向曲壁3波峰、周期相同的正弦状，结合图2所示，每两段横向曲壁3和两段纵向曲壁4围合为一个点阵单胞，每个点阵单胞中的两个纵向曲壁4形状为该点阵单胞中任一横向曲壁3形状分别顺时针、逆时针旋转90°获得，位于顶部所述横向曲壁3的最高点通过凸台5与上承载面板1固定，位于底部的所述横向曲壁3的最低点通过凸台5与下承载面板2固定。21.具体实施过程如下：利用三维建模软件solidworks 2014，在原点处按照方程结合图2所示，h为单个点阵单胞中横向曲壁3的高度、l为单个点阵单胞中横向曲壁3跨度，t为单个点阵单胞中纵向曲壁4的厚度，在一定区间内(如(-7，7)或(-4，4))建立正弦曲线，然后将正弦曲线复制并上移2.0mm，即可获得具有壁厚2毫米的弯曲薄壁，通过将薄壁进行旋转、阵列，即可获得曲壁结构，该曲壁结构具有6层横向曲壁3，10层纵向曲壁4。最后，在曲壁结构的上方和下方分别设置具有5.0mm厚的面板，面板与曲壁结构通过4.0mm宽的凸台5连接，即可获得无梯度设置的曲壁点阵结构。22.实施例二23.基本如附图3所示：本实施例与实施例一的区别仅在于：若干横向曲壁3从上至下波峰幅值梯度减小，且纵向曲壁4的波峰跟随同点阵单胞中的横向曲壁3波峰幅值梯度减小。24.具体实施过程如下：利用三维建模软件solidworks 2014，在原点处按照方程在一定区间内(如(-7，7)或(-4，4))建立正弦曲线，然后将正弦曲线复制并上移1.0mm，即可获得具有壁厚1.0毫米，高4.0mm的弯曲薄壁，通过将薄壁进行旋转、并在横向阵列，即可获得曲壁结构在第一层上的排列。然后，在第一层曲壁与第二层曲壁交点处，按照方程在一定区间内(如(-7，7)或(-4，4))建立正弦曲线，然后将正弦曲线复制并上移1.0mm，即可获得具有壁厚1.0毫米，高5.0mm的弯曲薄壁，通过将薄壁进行旋转、并在横向阵列，即可获得曲壁结构在第二层上的排列。以此类推，分别在曲壁结构的不同层排列不同高度，即不同弯曲程度的曲壁，即可获得关于曲壁形状的梯度曲壁结构。25.实施例三26.基本如图4所示：本实施例与实施例一的区别仅在于：若干横向曲壁3从上至下厚度梯度增大，且每个点阵单胞中的两个纵向曲壁4中点的厚度与该点阵单胞中任一横向曲壁3厚度相同，每个纵向曲壁4厚度均匀过渡。27.具体实施过程如下：利用三维建模软件solidworks 2014，在原点处按照方程在一定区间内(如(-7，7)或(-4，4))建立正弦曲线，然后将正弦曲线复制并上移0.8mm，即可获得具有壁厚0.8mm，高4.0mm的弯曲薄壁，通过将薄壁进行旋转、并在横向阵列，即可获得曲壁结构在第一层上的排列。同理，将正弦曲线复制并上移1.0mm，即可获得具有壁厚1.0毫米的弯曲薄壁，通过将薄壁进行旋转、并在横向阵列，即可获得曲壁结构在第二层上的排列。以此类推，即可获得关于厚度梯度的曲壁点阵结构。28.此外，以高性能尼龙为材料通过激光选择性烧结3d打印技术，制备出这三种新型曲壁结构，无梯度设置曲壁结构质量为25.75g，关于厚度的梯度曲壁结构质量为25.95g，关于曲壁形状的梯度曲壁结构质量为26.13g。对上述三种曲壁结构在相同的冲击能量下，进行平板冲击试验并对平板上加速度传感器的信号进行对比，获得了平板冲击不同点阵结构时的加速度时间曲线，如图5所示。实验结果表明，两种改进的梯度试样在质量几乎相同的情况下，将作用时间较短的瞬态强载荷转化为峰值较小、作用时间较长的冲击载荷，实现了能量耗散，冲击载荷被降低了约50％。29.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。30.以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。









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