CN103518025B - 具有能量吸收作用的外部拉伸结构构件 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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“EXOTENSIONED STRUCTURALMEMBERS WITH 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No.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

本发明在由美国能源部授予的合同No.DE-AC52-06NA25396下通过政府支持完成。政府对本发明具有一定权利。

技术领域

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。

背景技术

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。

发明内容

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10A至图10D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的示例性横向快速接合连接的构造的不同阶段；

图16A示出了以可滑动的方式安装在根据一个实施方式的结构构件的外部的示例性横向滑动接头的立体俯视图；

图16B示出了图16A的示例性横向滑动接头的立体后视图；

图17A示出了根据一个实施方式的用于成型骨架结构的处于闭合构造的示例性模具的剖视图；

图17B示出了根据一个实施方式的处于敞开构造的图17A的模具的剖视图；

图17C示出了根据一个实施方式的模具的剖视图，示出了图17B中所示的、处于敞开构造的成型段是如何被挤压在一起的；

图17D示出了处于敞开构造的模具的剖视图，其中成型段从图17C中所示的成型构造向外移动以释放所形成的骨架结构；以及

图18A至图18D示出了根据一个实施方式的结构构件的示例性T形接头连接的构造的不同阶段。

附图标记列表

1、中央芯部

2、骨架

3、凹口

4、拉伸织物

5、纵向绳

6、凹口之间的间隔

7、骨架材料/质量的移除

8、高密度/阻燃泡沫填料

9、收缩性覆膜或所涂敷的其他外部涂层

10、保护性骨架外皮

11、损害骨架构件

12、结合剂（CA或其他粘合剂）

13、能量吸收的多节点模式。在编织样品中转变到较高频率

14、抗压缩树脂接头构件

15、成形接头内的嵌入翼梁

16、横向加强翼梁（×2）

17、抗拉绑索

18、模具横截面

19、快速接头横向板/相异材料

20、用于紧固的捕获织物的V型螺母和螺栓

21、V型槽线性滑动接头

22、特氟纶抗摩擦护套

23、用于V型槽滑动接头的U型框架

24、骨架上的栓系捆紧效果

25、碳纤维或其他

26、凯夫拉尔纤维或其他

27、Zylon或其他

28、骨架涂层、镀铝聚酯薄膜或其他

29、接合板

30、V型轮廓捕获螺母

31、紧固螺栓

32、将捕获螺母插入织物中

33、用于骨架交叉的互补切口

34、暴露的骨架V型轮廓

35、骨架的远边

36、材料条

具体实施方式

在下列描述中，为了说明而非限制目的，阐述了具体细节，诸如具体实施方式、过程、技术等，以便提供对本发明的全面理解。然而，对于本领域技术人员来说显然的是，本发明可以以脱离这些具体细节的其他实施方式来实施。

本申请中所述的技术特征能用来构造能量吸收结构构件（在下文也被称为“Brockwell结构”）的各种实施方式。

在一个提议中，单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件具有形成为期望形状的骨架的材料条。在材料条的侧面上设置间隔开的凹口。抗拉材料绕骨架被编织成期望的织物并且被放置在凹口中。

通过提供位于材料条的侧面上的间隔开的凹口以及绕骨架结构被编织成期望的织物的抗拉材料，该结构抗屈曲并且吸收能量。轻质且高强度的结构可提供避免灾难性破坏的能力。

在另一示例中，单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件具有包括多个材料条的长形骨架结构。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接合在一起并且具有相对于共用中心轴线间隔开的长远边。在材料条上设置间隔开的凹口以锚固待绕骨架结构编织成期望的织物的抗拉材料。

在又另一提议中，接合结构包括由本文所述的一个或多个实施方式的一个或多个接头部件接合在一起的一个或多个实施方式的结构构件中的至少两个结构构件。

在又另一提议中，提供了制造单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件的方法，其中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。抗拉材料被放置在所述凹口中并且绕所述骨架被编织成期望的织物。

在又另一提议中，成套部件被设置用于组装本文所述的实施方式的结构构件。

在又另一提议中，成套部件被设置用于组装本文所述的实施方式的接合结构。

在一个提议中，前述成套部件中的一个或多个部件与用于指示使用者如何组装这些部件的合适的媒体上承载的指令一起被设置在盒中。

现在将参照附图，在这些附图中，实施方式的各个元件将被给予附图标记并且将结合附图讨论实施方式，从而使得本领域技术人员能够制造并使用本发明。

对部件、过程步骤和其他元件的具体说明并不旨在进行限制。此外，要理解的是，当参照另选图时，相同的部件具有相同的附图标记。将进一步注意的是，附图是示意性的并且提供为用于引导有技术的读者并且不必按比例绘制。而且，各种绘图比例尺、长宽比以及图中所示的部件的数量可以被有意变形以使某些特征或关系更容易理解。

附图中的图1至图5B描绘了Brockwell结构的实施方式。该结构构件具有包括多个材料条36的长形骨架结构2。在这些图中，长形骨架结构是直长度构件，但是在其他示例中，长形骨架结构可以是弯曲长度构件，或者甚至是环形构件。多个条36沿着或绕着共用中心轴线纵向接合在一起并且具有相对于共用中心轴线间隔开的长远边35。每个条均是具有圆形切口的平面条，但在其他实施方式中一个或多个条可以具有带有或不带有切口的其他轮廓。

在图1至图5B的示例中，结构构件具有4个平面条36，这4个平面条相等地间隔开而使得骨架结构具有十字形横截面。条的数量和/或骨架结构横截面在其他实施方式中可以是不同的。举例来说，构件可以具有布置成具有Y形横截面的骨架结构的3个平面条，或者构件可以具有布置成具有T形横截面的骨架结构的2、3或4个条等。

在材料条36上设置间隔开的凹口3。如图5A和图5B中最佳示出的，凹口3沿着条的远边35间隔开。在其他实施方式中，凹口可以设置在条的其他位置中。凹口3作为用于抗拉材料4的锚固点，该抗拉材料4放置在凹口中并且绕骨架结构被编织成期望的织物。该织物被预拉伸并且凹进成与条的远边35齐平或位于该条的远边内。然而，在其他实施方式中，织物可以突出超过远边并且不需要被预拉伸。在图1至图5B中所示的结构构件的示例中，抗破坏传播材料的中央芯部1嵌入骨架结构2中并且沿着共用中心轴线延伸。在纵向延伸的条中也形成有破坏传播材料5。结合剂或其他粘结剂12将织物4粘结至凹口3。结合剂12帮助防止织物4滑动并且借助其他锚固点和中央芯部1将应力分配在整个结构构件梁上。在另一实施方式中，结合剂被省除。

如下面将更详细地说明的，条材料和织物抗拉材料被选择成提供期望的能量吸收和承载能力特性。在图1至图5B的示例中，每个材料条均是刚性的弹性材料，在该具体情况下，为树脂预浸碳纤维，但是也可以设想到其他材料，诸如但不限于可回收利用或不可回收利用的塑料或玻璃。条和所形成的骨架结构能由借助负荷保持其形状的任何材料制成。虽然能够显示压缩特性和拉伸特性的材料条对于结构构件更有益，但是在其他实施方式中，也可以设想仅显示压缩或拉伸的材料。

织物抗拉材料4是凯夫拉尔纤维但是也可以设想到其他抗拉材料，例如Zylon。结合剂12可以例如是氰基丙烯酸盐胶粘剂或者环氧树脂。中央芯部1由Zylon制成，但是可以采用另选的抗破坏传播材料。抗破坏传播元件5也可以是Zylon或其他抗拉材料。中央芯部1可以是取决于结构构件的期望特性的拉伸材料或松弛材料。在其他实施方式中，中央芯部1可以被省除。

由碳管和碳棒制成的接头由于机械固定装置和胶粘剂的使用而倾向于变弱。当材料破裂时，它们倾向于以猛烈方式变弱，这导致这些部件的分离和完全破坏。如本文上面所述的，一个实施方式的结构由每单位质量超轻和超强的梁和纤维两者制成的建筑材料。另外它们具有下列特性：

·轻质

·比管结构具有更好的能量吸收性

·与相似质量的管一样的标准化抗弯刚度（刚性）

·通过限制在较高频率模式下发生屈曲而具有较高的屈曲负载

表1中示出了Brockwell结构与常规建筑材料的比较

比较材料	强度重量比	破坏模式
			Brockwell结构	高	延展性
钢	中	延展性
			铝	中	延展性
FRP	高	脆性
			作为增强材料的FRP	中	脆性

表1

根据一个或多个示例的接合结构由于凯夫拉尔纤维的织物图案而具有非常强的接头，所述织物图案通过接头在构件之间分配应力，从而防止应力集中在一个区域中。沿着每个构件翼梁的边缘形成凹口提供了用于凯夫拉尔织物的静态锚点。实施方式的创新设计和可伸缩制造方法减轻了复合材料中的总灾难性破坏并且增大了结构的强度重量比。

外部织物图案的第一个功能是贯穿整个结构分配力并且将石墨骨架保持就位。这防止了弯曲并且保持结构处于刚性阶段。外部织物图案的第二个功能是一旦结构已被损害并且处于被拉开的过程中就在石墨上收紧。收紧具有在其被拉动时增大阻力的阻尼效果。而且，织物用作保护层，其保护内部骨架免受包括直接冲击、磨损、切割等的破坏。最后，凯夫拉尔织物图案的第三个功能是将被破坏的结构保持系结在一起并且防止灾难性破坏和分离。

在一个示例中，结构包括碳纤维（FRP）结构骨架、拉伸的凯夫拉尔织物包、以及作为用于抗破裂的嵌入芯部的由高抗拉材料制成的内部张拉或松弛绳。另外，预拉伸的高抗拉质量可以平行于芯部纵向应用于构件翼梁的远端方位，从而进一步阻止凹口破坏传播。该结构构件还可以具有涂层，诸如用于抗紫外线降解的金属涂层。基本结构可基于应用需要针对每种应用而被设计并组装/构造，例如优化构件需要经受的特定力，诸如压缩、拉伸、扭转、弯曲、磨损和撕裂或者上述的任何组合。

图1至图3示出了在三个不同的破坏阶段期间实施方式的结构。图1示出了在被施加足够的负荷而引起任何破坏之前在其处于强阶段时的实施方式的结构。

在完全破坏的情况下，一个或多个实施方式的Brockwell结构经过多个不同的加载阶段，不同材料特性和结构特征的组合的结果。在初始的强阶段（图1），骨架条2具有刚性并且绕中央芯部1是完整的并且织物4被牢固地附接至凹口3。

当负荷增加时，随着在压缩的骨架条2中开始屈曲13，结构显示出类似延展性行为（图9A）。结合的骨架凹口3和织物4的特征限制了屈曲，从而增加了沿着结构的屈曲13的数量，使得其与图9A的未经编织的样品相比更刚硬并且更强。这是通过芯部元件1、骨架条2和织物4的组合分配应力的结果。

如果骨架条2被损害，则结构转变成受约束的非刚性的紧密接近的破裂后阶段（图2a至图2c）。在该阶段中，抗拉伸的芯部元件1、纵向绳5和织物4保持完整，从而抑制骨架2对紧密接近的破坏。

当破坏传播并且纵向绳5和/或中央芯部1的材料失效时，结构进入能量吸收伸长系绳阶段（图3a至图3c）。系绳伸长通过在张力下骨架结构2的分离而发生，从而减小了织物4在它们的交点处之间的角度。这减小了织物4的相对两侧之间的径向距离并且因此减小了总周长，收紧在骨架2上并且破碎骨架2，从而导致在完全分离之前的甚至更多的能量吸收。

上述损坏阶段使得Brockwell结构能够耐受在完全破坏之前贯穿每个连续破裂阶段的负荷/应变。不同材料特性和结构特征的该组合致使Brockwell结构连同其接合和紧固系统一起形成一轻质、安全且强健的普通结构构架系统。

图4示出了根据一个示例的Brockwell结构以及其三个关键部件：碳纤维骨架2、凯夫拉尔织物4和由Zylon制成的中央绳1。这三个部件的优化和一体化提供了应用Brockwell结构的大的灵活性，并且致使Brockwell结构为独特且创新的建筑材料，其获得了轻质、高强度和防爆的多个益处。而且，这三个关键部件允许在原材料选择、结构单元设计以及基础翼梁和接头结构两者的制造方面的设计属性的宽泛选择。

原材料的宽泛选择能够被结合并设计到Brockwell结构中。在大多数情况下，这些原材料是具有被证实的性能的商业上现成的FRP。例如，材料的各种组合能用于针对特定应用的Brockwell结构成型过程。而且，Brockwell结构能使用各种各样的高拉伸材料，诸如凯夫拉尔纤维、Zylon、光谱纤维等。

在一个示例中，三个部件，即，骨架、织物和芯部结合成为一个Brockwell结构能用来制造下述基础翼梁和接头结构单元，该基础翼梁和接头结构单元能实现优化的专用性能，包括涉及加载、强度、期望的破坏模式和疲劳的要求。下列特征能在部件的设计/结合中被操纵以转换破坏模式：

·凹口（织物）密度

·织物张力/强度

·织物的绳的数量

·织物图案和角度

·插入模具中的绳的数量

Brockwell结构提供了满足特定应用需要的基础结构和接头结构的各种选择，诸如Y型梁，十字形梁、X型梁、O型梁等。模具的形状、大小、厚度和尺寸在特定应用设计过程期间能被优化。

如下面进一步描述的，一个或多个实施方式的Brockwell结构是轻质且高强度的，具有避免灾难性破坏的能力，并且提供制造和安装的容易性。另外，Brockwell结构能：（1）提供抗压缩和抗拉能力的一体结合；（2）修整结构构件中的应力分布；（3）基于设计能够预测破裂位置/区域；（4）基于加载条件和应用要求而提供专用设计；以及（5）为制造/设计提供在拉伸或压缩中首先破裂的能力。

轻质和高强度：一个或多个实施方式的Brockwell结构利用以下事实，即，FRP是轻质高强度结构材料，以及利用织物来控制破坏模式。因为在一个实施方式中Brockwell结构中的主要原材料是用诸如凯夫拉尔纤维和Zylon之类的高抗拉材料缠绕（编织）的碳纤维，因此由一个或多个实施方式的Brockwell结构制成的建筑单元能设计成刚性的、轻质的，并且单独地与诸如钢、碳管或FRP的材料相比更能经受住显著应力（压缩和拉伸）。

避免灾难性破坏的能力：Brockwell结构提供防止灾难性破坏所需的能量吸收，从而克服了与当前FRP部件相关联的脆性破坏模式。Brockwell结构使任何破坏局部化，避免了灾难性破坏并且在保持轻质和高强度特征的同时提高了耐久性。一个或多个实施方式的Brockwell结构还具有由骨架屈曲提供的延展性破坏行为的固有特性，如由拉伸的织物限制的。

如果结构骨架破裂，则外部织物通过在内部质量（条）上压缩并且吸收过程中的大量抗拉力的同时保持完整来抵抗分离。而且，在FRP成型过程期间被引入骨架结构中的由诸如凯夫拉尔纤维或Zylon之类的高抗拉材料制成的内置内部绳使得骨架更难以分离，并且因此在其破坏位置保持紧密接近。这些性能质量具有作为安全机构（诸如折皱（crumple）区域）被控制的潜能，该安全结构能被设计成高冲击区域中的结构构件。对于一个或多个实施方式，抗爆性（从破裂开始到最后分离和灾难性破坏）比骨架开始破裂的力增加了大约10至15倍。

制造和安装的容易性：Brockwell结构能被容易地设计成适于加载要求、服务、耐久性要求和成本要求的不同特定应用形状和形式，同时保持其轻质、高强度以及能量吸收结构性能质量。Brockwell结构具有构造为轻质构架构件的灵活性，其中当需要时使用丰富的当地材料（诸如泥土、岩石、粘土和水）来填充结构空隙以增强稳定性和增加质量。最后，Brockwell结构具有关于安装和维护的下列优点：

·它们可以是独立材料。即使Brockwell结构是所构架的3D构件，但纵向翼梁也能用于2D表面，特别像酒箱内的隔板一样但是在两个尺寸上进一步成螺旋形。

·它们能用作加强筋或者用于增补混凝土构件、金属桥接件或其他结构。

·它们由于组装的容易和简单性而具有现场修理能力。进行修理的一种方式是通过在需要修理的区域中添加Brockwell结构来进行的。在被修理的区域中附加的强度将类似于在破裂之后已治愈的骨中的钙化块，从而致使骨甚至更强壮。

·它们能利用简单的、通用的、灵活的成型和编织过程被组装到任何地方。

现在将参照图11至图14，这些图描绘了结构构件的另外的实施方式。图11示出了类似于图1至图5B的但是在条50中不具有切口且不具有纵向绳5的结构构件的立体图。图12是也不具有切口但示出靠近凹口放置的纵向绳5的根据另一实施方式的示例性结构构件的局部侧视图。这是具有附加的质量（绳）的强阶段结构。纵向绳不仅增加了抗拉强度，而且有助于防止凹口的破坏传播。

图13是根据又另一实施方式的示例性结构构件的立体图，其中绳接近无凹口的远边纵向延伸并且设置有条切口7。条切口7具有不同的图案。这示出了在完成的结构中可以实现的质量的变化，包括从骨架2消除质量，以及增加纵向绳5，包括但不限于高抗拉材料或者电线；

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。该图描绘了骨架上的保护外皮10（在该情况下，例如但不限于镀铝聚酯薄膜（28））、骨架填料8（在该情况下，高密度泡沫）以及以包围整个结构的护套材料9（诸如收缩性覆膜）。

现在将描述根据一个实施方式的制造具有单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件的方法。该方法可以用来制造附图中所示的实施方式中的一个或多个实施方式的结构构件。作为概要，该方法从将材料条36形成期望形状的骨架结构2开始。然后，将凹口3设置在条的侧面上。将抗拉材料4放置在凹口中并且将其绕骨架编织成期望的织物。

将材料条形成期望形状的骨架结构的过程能利用各种技术来执行。在一个示例中，骨架结构被压缩成型，采用成形为将材料成型为期望横截面的结构构件骨架结构的模具。在一个示例中，骨架结构由可挤出材料（诸如金属、玻璃或塑料）制成，该可挤出材料被挤出以形成结构构件的骨架结构。举例来说，可以使用本领域技术人员所公知的拉挤成型或其他过程来形成骨架结构2。这样的技术根据需要也使得能够形成包括中央芯部1和纵向绳5的复合骨架结构。例如，由碳纤维制成的骨架结构能由已知方法挤压或拉挤。在其他示例中，可以采用注入成型技术以由热塑性塑料和其他类型的可注入成型材料形成骨架结构。

在一个示例中，一旦形成骨架结构，则使用旋旋切割机或其他开口装置以用一定间隔在每个条的横向边缘35中切割凹口3。在拉伸情况下，然后由凯夫拉尔纤维或其他抗拉材料制成的绳纵向往复地绕骨架结构2成螺旋形缠绕，铺设到凹口3中，以产生顺时针方向和逆时针方向织物4。一旦被编织，就将粘合剂12（诸如氰基丙烯酸盐粘合剂、环氧树脂或漆）涂敷到每个织物/凹口接合部3，从而将织物结合至骨架2，并且完成了Brockwell结构的构造。

用于成型骨架结构2的模具的形状将取决于结构的期望横截面。模具具有多个纵向并排放置的长形段18，其中一个段的成型表面面向相邻段的相应的成型表面。每个段的成型表面均构形成提供期望的条形状和长形骨架结构的期望的横截面。举例来说，在图17A至图17D的剖面图中示出了根据一个实施方式的用于成型具有十字形横截面的骨架结构的示例性模具。该模具具有四个长形成型段，这四个长形成型段具有正方形横截面并且以2×2矩阵并排纵向地布置以在矩阵的中心接合部或共用轴线处形成十字形横截面骨架结构。为了成型Y形横截面骨架结构，模具具有三个成型段并且三个中的两个用于成型T形横截面。

成型过程通过将构形成与相应的成型段表面对准的一定长度的材料供给到敞模中并且将纤维或其他长度的材料与段成型表面对准来开始。在图17A至图17D的示例中，纤维长度由预浸渍碳纤维制成。然而，如上面已经说明的，可以使用其他期望的材料。对于图17B所示的十字形横截面模具，供给到模具中的一定长度的材料具有与相应的成型段的轮廓相匹配的L形横截面。然后将L形横截面长度的材料以嵌套关系在每个段成型表面长轴线的90度角部上层叠。若需要，可以将凯夫拉尔纤维或Zylon线或其他抗破坏传播材料插入模具的中部以形成中央芯部1和/或插入模具中的纵向槽中并与该纵向槽对准以用于将凹口加强抗拉材料5结合到成型条中。

一旦模具18已如图17C所示由合适的压缩工具或装置（未示出）压缩在一起以将材料成型为十字形横截面，则模具就被加热以开始固化过程。对于碳纤维骨架结构，该骨架结构在加热大约45分钟后在大约285华氏度的温度下固化。在冷却到室温之后，模具被移除，从而留下十字形状的骨架2。然后可以移除来自成型过程的过量树脂和飞边（flashing）。

初步结果

在实验测量中，高质量的碳纤维环氧树脂复合圆管被选择作为基线结构，这是因为圆管是广泛用于各种应用的最有效的结构元件之一。对限制样品的最初研究以下列方式显示了基本的Brockwell结构关于轻质和高强度的材料性能优于碳管（在图6至图9中示出）：

·Brockwell结构仅具有碳管的线性质量密度的1/2至2/3。

·在破坏的第一阶段，与以脆性方式灾难性地失效的圆管相比，Brockwell结构吸收2至3倍的更多的能量。

·Brockwell结构以渐进方式承受连续的破坏，而不是由完全分离显现的灾难性破坏。

·编织的样品承受至少与屈曲负载两倍那样多的负载。

·Brockwell结构具有类似于具有相似质量的圆管的标准化的抗弯刚度（刚性）。另外，初步结果表明了使结构构件分离所需的力是初始破坏时力的10至15倍。这通过下列独特的设计特征中的一些特征而成为可能：

·编织：构建成Brockwell结构的另一机构能防止织物突然破坏。虽然最初被设计成增大刚性，但其也能紧密接近地保持被破坏的内部骨架构件。当在内部骨架构件开始破碎之后施加更大的力时，外部反向编织构件以栓系方式保持紧缩，从而将结构保持就位。该动作在抵抗分离并且在过程中吸收大量能量的同时产生逐渐增加的抗拉强度。

·槽口设计：图4示出了骨架构件上的凹口内的被拉伸的织物的局部放大图。凹口表示使得结构在其已在别处被破坏时能够保持在一起的新的设计特征。通过沿着芯部结构的边缘增加凹口，新的Brockwell结构设计使得织物部件能够与骨架构件保持在一起并且防止滑动。因为破坏部附近的织物是完整的，因此它们继而防止破坏进一步传播或者使破坏过程减慢。

·结构设计：（1）Brockwell结构构件，和（2）Brockwell结构接头能被设计、制造和组装/构造成满足特定应用的需要的结构构件。例如，Brockwell结构能被设计并构造成针对应力类型优化每个结构构件，该结构构件可能需要经受住给定加载条件：抗压缩、拉伸、扭转，磨损或者撕裂（诸如在桥面板应用中）。

·关于抗压缩力，最简单的方法将是在可能发生屈曲的区域中添加质量。一示例是将质量添加到处于压缩/拉伸下的区域。然而，能被制造成更复杂的方案，例如0至90度图案的编织纤维可以成型为具有45-45度图案，从而导致将使屈曲最小化的更刚硬的结构。

·Brockwell结构具有通过利用一种以上的编织图案来解决扭转力的灵活性。而且，Brockwell结构具有通过添加刚硬的高密度泡沫填料来增加填料的能力，能增强扭转阻力。

·为了增加抗拉力，可以将更多的碳、凯夫拉尔纤维或Zylon（通过成型）纵向加入骨架结构芯部中。这些元件能被预拉伸以增大刚度，从而减小Brockwell结构的偏转。

FRP和金属的机械特性之间的重要差异是它们在负荷下的行为的差异。通常，FRP显示出如由它们的线性应力应变关系所表示的脆性行为，而金属显示出如由它们的双线性应力应变关系所表示的弹性-塑性行为。在Brockwell结构发生屈曲行为的情况下存储的应变能的显著增加从图3A至图3C可明显看出，图3A至图3C示出了其相对于其他结构的灾难性破坏模式的优势。

现在将详细地参考图9所示的结果。参照图9，该图示出了Brockwell结构的两个实施方式，与弯曲试验中的标准化高质量碳纤维管相比，该Brockwell结构具有嵌入的芯部、具有和不具有织物。曲线图描绘了与中性轴线曲率相比样本的标准化弯矩，以便建立用于与现有高性能建筑元件相比的基线。同样，描绘出具有或不具有硬化剂的铝的性能的模拟曲线被加入曲线图以进行进一步比较。曲线图展现了针对碳纤维管的线性应力应变曲线、针对Brockwell结构的双线性曲线、以及针对铝的双线性曲线。碳纤维复合材料在过去已展现为线性应力应变曲线，指示了没有警告的破坏。然而，金属在过去已展现为双线性曲线，其表示在破坏之前屈服。在Brockwell结构中，屈服通过在骨架破坏之前由该结构获得的波状形状13来表明。这也可以被解释为在灾难性破坏之前的警告。Brockwell结构模拟了金属的双线性曲线同时保持与类似质量的管相似的标准化抗弯刚度，如通过在曲线图上和相应的例示中比较试验4与编号16和1所示的。

编织样品通过借助锚固织物的应变分布限制屈曲以较高的频率发生而具有高得多的屈曲负载。曲线下方的区域表示各种样本的能量吸收性。假定编织样本曲线下方的区域大于所有其他样本的那些区域，则这对应于比其他样本高的强度、冲击耐力和能量吸收性，从而表明Brockwell结构的优越性能，桥接先前复合结构和金属之间的间隙以提高结构工程潜能和理解。

现在参看图9B的结果，该简单的柱状图表明与管相比Brockwell结构的减小的线性密度。这显示了管的线性质量比具有或不具有织物的比较样本的线性质量大。

现在参看图9C的结果，该图显示了Brockwell结构的抗弯刚度与管的抗弯刚度相似。尽管仍低于管的抗弯刚度，这可以被作为优点，因为刚度对应于当前碳纤维建筑元件的典型的破坏的脆性和强烈模式。同样，略微减小的刚度允许受应力构件的视觉识别，如图9A所表明的。

现在参看图9D，该柱状图在视觉上表示图9A中的每条标绘线正下方的相应区域。如所示的，在编织样本的情况下能量吸收接近管的能量吸收的三倍。

关于图10A至图10D的结果，图10A示出了来自试验样品的抗弯刚度试验结果，包括试验号、样品类型的识别和结果。这针对线性质量密度未被标准化。图10B示出了试验样品的比较线性质量密度，包括试验号、样品类型的识别以及结果。图10C示出了横跨被分析的样品的标准化抗弯刚度，包括试验号、样品类型的识别以及结果。图10D示出了横跨所有被分析的样品的标准化能量吸收，包括试验号、样品类型的识别以及结果。

现在将参考根据一些实施方式的用于接合前述结构构件的接头和方法。这些结构构件可以利用不同类型的接头以不同的方式接合在一起。被接合的结构由于抗拉材料的织物图案而具有非常强固的接头，该抗拉材料在接合结构上压缩，将负荷从一个构件传递到下一个构件。在应力集中的地方，树脂或诸如橡胶的其他材料抗压缩并且横跨构件芯部分配负荷。举例来说，参看图15A至图15E，描绘了根据一个实施方式的处于不同的形成阶段的示例性接合结构。前述能量吸收结构构件中的两个或更多个结构构件由接头部件15、16、17接合在一起。

图15A至图15E示出了弯头接合连接的形成，其中长形骨架结构中的一个骨架结构的一个端部被接合到长形骨架结构中的另一个骨架结构的一个端部。骨架结构的接合端部被切割成使它们具有互补轮廓。在图15A至图15E的示例中，接合端部以45度角被切割而使得骨架结构2能构成直角。然而，互补端轮廓能被选择为提供从0度到180度的任何接合角度。这些结构的端部被接合在一起，使得由一个端部的相邻条形成的一个或多个凹槽（在示例中为V型轮廓凹槽）与由另一端部的相邻条形成的相应的凹槽大致对准（例如参见图15C）。如图15A至图15E所示，织物4和/或凹口3可以存在于被接合在一起的结构的端部的末端处或者可以不存在于该末端处。

接头部件14是接头抗压缩树脂件，其设置到由接合在一起的前述骨架结构的端部凹槽形成的交叉点处的角部内的接头中。如图15E最佳示出的，树脂件14设定成相交地接合的凹槽的形状。接头部件15是用于固定地安置在大致对准的凹槽中并将这些凹槽接合在一起的抗压缩构件。该抗压缩构件由碳或其他抗压缩材料形成并且成形为与接合凹槽的内角部轮廓相匹配。例如，在图15A至图15E中，接头部件15是三角形状的以与成直角接合的V型凹槽34的内角部轮廓相匹配。部件15设置在桥接骨架结构的端部的接合对准凹槽的接头的内角部中。部件15能由合适的环氧树脂件固定或者可以设置在接头抗压缩树脂构件14中。接头抗压缩树脂构件14可以在具有或不具有部件15的情况下被利用。

在一个示例中，骨架结构中的两个骨架结构利用两个三角形横向加强碳纤维翼梁或构件16结合在一起，位于接头的每一侧的加强纤维翼梁或构件16与粘附至接头的内部方位的部件15一起粘附至骨架，如图15A至图15E所示部件15嵌入抗压缩树脂基部14中。

在根据需要将接头部件14、15、16中的一个或多个接头部件粘附就位的情况下，然后附加由凯夫拉尔纤维或其他抗拉材料制成的包装件或缠绕件17，以为了稳定而将接头部件压缩在一起并且以提供对分离的阻力。在图15A至图15E的示例中，凯夫拉尔纤维利用一系列垂直于骨架梁中的切口的平面上下构建的交织X被缠绕。另外，解除卷（relief wind）可以从一梁被附加到另一梁，与梁的被拉伸的织物4重叠并且位于接头的两侧。这用来将织物和结构元件2静态地锚固在一起。可以使用各种不同的绕组来适应特定的任务要求。这些接头可以被制造成适应从0度到180度范围内的任何接合角度。为了针对角度的变化而进行改变，接头部件三角形翼梁15、16被切成与预期接头相同的角度。在所示的图中，两个构件都被以45度的角度切割并且被接合而使得它们累积的相交角度等于90度。

图15F至图15G示出了根据另一实施方式的接合结构的构造的不同阶段。如图15F至图15G所示，接合结构是T型接头，在该接头的一端，前述骨架结构接合到骨架结构中的另一个骨架结构的侧面。这些结构利用快速接头被接合在一起。快速接头是基于捕获螺母30和螺栓31的附接系统。为了形成接头，成形为与期望的角度适配的高强度板29由螺栓31接合到由拉伸的织物保持的V型捕获螺母30中。V型轮廓的螺母装配在X形梁的V形凹槽34中，从而防止其转动。对于其中骨架结构2具有不同的横截面的其他示例，螺母30成形为装配在根据相邻条的形式和放置所形成的凹槽中。这提供了用于附接至不同结构或材料的牢固且简单的平台。利用该系统，Brockwell结构可以被容易地用作具有简单附件以快速且容易地组装的普通框架结构系统。在所示的图中，结构构件已经利用90度板附件29附接至结构构件的另一横截面以形成T形连接。然而，快速接头板能被构造成连接其他构造（诸如Y型接头、弯管接头等）中的结构构件。梁相交的角度可以通过改变孔和接合板29的边界的对准角度而改变。同样，板本身可以被折曲或弯曲。

图16A示出了以可滑动的方式安装在根据一个实施方式的骨架结构的外部上的示例性U形横向滑动接头的俯视立体图。图16B示出了从骨架结构分开的图16A的示例性横向滑动接头的后视立体图。供U形接头以可滑动的方式安装的骨架结构以与针对其他实施方式的结构构件相同的方式由条30形成，但是该骨架结构省除了凹口。骨架上未承载有织物。还可以设想到具有凹口但是不具有织物的结构。

构件23是U形构件，使得当与凹槽以可滑动的方式接合时，该构件叠盖骨架结构的三个外侧面。在图16A和图16B的滑动接头的示例中，在U形构件或底盘23的内侧壁上承载有接合纵向螺母或其他构件的V形凹槽，以借助骨架结构的一个端部来接合结构的纵向V形凹槽34。以该方式，U形底盘由V形螺母21以可滑动的方式保持在V形凹槽中。构件23具有位于外侧面上的孔以在其上安装其他结构、装置等。另外，滑动接头示出了抗摩擦护套22，该护套沿着U型构件21的内壁排列并且在构件21被以可滑动的方式保持在骨架结构凹槽中时与骨架结构的侧面接触。

图18A至图18D示出了根据一个实施方式的示例性T型接合结构连接的构造的不同阶段。为了形成永久的T型接头，或者为了将前述结构构件以90度附接至结构构件中的另一个结构构件，接合梁以45度从梁的相反两侧被切割两次，使得两个45度切口在十字形骨架33的中心处相交。通过切掉横跨梁上的织物4的一个表面（其中接头将与该表面相交），接合梁的点33可以插入暴露的V型轮廓34中，使得两个梁的骨架条的轮廓相交，从而允许贯穿近端构件芯部1分配负荷/应力。通过利用位于接合梁的任一侧的、嵌入树脂14中的两个内部45度构件翼梁15，相交角度被限定，然后梁可以利用捆绑材料（诸如凯夫拉尔纤维或其他抗拉材料）被压缩捆绑以增加拉伸阻力并且以与相邻织物4相交。如与90度接头一样，接合编织包括一系列应变分配绕组17，这些应变分配绕组17加强骨架翼梁15并且横跨骨架芯部1分配负荷。缠绕技术根据应用而变化。对于附加性能，可以将树脂施加至绕组以形成更静态的接头。接合角度的变化可以适于通过将嵌入树脂的骨架翼梁15与成形接头14的角度调节到互补角度以及将梁切口33调节到所需要求来进行，从而允许芯部近端和条相交/接触。

总之，Brockwell结构提供了新一代的轻质且高强度的建筑材料，这种材料具有高强度重量比和优越的能量吸收特征和弹性特征。结构构件增强了单位质量承载能力，该承载能力能针对指定任务的责任而被优化。结构构件可以被构造成抵抗屈曲，然而被设计成在破坏之前抵抗屈曲。结构构件可以提供借助结构能量吸收来提高安全性。结构构件可以构造成用于结构应用，诸如梁、悬臂、支架、柱、支索等。

将理解的是，本发明的所述实施方式仅是例示性的并且其改型对于本领域技术来说可以想到。因此，本发明不被认为限于所公开的实施方式，而是仅如由本文所附的权利要求所限定的那样被限制。

Claims (13)

1.一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(2)的由刚硬的弹性材料制成的条(36)，所述条(36)沿着或绕着共用中心轴线接合在一起；

抗拉材料(4)，该抗拉材料绕所述骨架的所述共用中心轴线被编织成期望的织物，

其特征在于，

间隔开的凹口(3)设置在由刚硬的弹性材料制成的所述条(36)的侧面上；绕所述骨架的所述共用中心轴线被编织的所述抗拉材料(4)被放置在所述凹口(3)中；并且

包括由抗拉材料制成的内部绳的中央芯部(1)被嵌入所述骨架(2)中并且沿着所述共用中心轴线延伸。

2.根据权利要求1所述的结构构件，其中，所述刚硬的弹性材料是碳纤维。

3.根据权利要求1或2所述的结构构件，其中，所述抗拉材料(4)是凯夫拉尔纤维。

4.根据权利要求1或2所述的结构构件，其中，由抗拉材料制成的所述内部绳包括由Zylon制成的内部绳。

5.根据权利要求1或2所述的结构构件，其中，所述织物的角度在0°至180°之间变化。

6.根据权利要求1或2所述的结构构件，该结构构件还包括在至少两个所述条(36)之间被插入所述骨架(2)中的高密度泡沫填料。

7.根据权利要求1或2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(28)。

8.根据权利要求7所述的结构构件，其中，所述涂层(28)是抗紫外线的。

9.根据权利要求8所述的结构构件，其中，所述涂层(28)包含金属。

10.根据权利要求1或2所述的结构构件，其中，所述骨架包括长形骨架结构，并且其中多个所述条(36)沿着或绕着所述骨架结构的所述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(35)。

11.根据权利要求10所述的结构构件，其中，所述条(36)包括由刚硬的弹性材料或压缩材料制成的条。

12.根据权利要求10所述的结构构件，其中，在所述条(36)中靠近所述凹口(3)形成有抗拉材料或松弛材料(5)，使得在使用中，由形成在所述条(36)中的所述抗拉材料或松弛材料(5)抵抗所述凹口中的结构破坏的传播。

13.一种制造根据权利要求1所述的单位质量承载能力增强的能量吸收结构构件的方法，该方法包括：

将由刚硬的弹性材料制成的条(36)形成为期望形状的骨架(2)，所述条(36)沿着或绕着共用中心轴线接合在一起；

将包括由抗拉材料制成的内部绳的中央芯部(1)嵌入所述骨架(2)中并且使中央芯部(1)沿着所述共用中心轴线延伸；

将间隔开的凹口(3)设置在所述条(36)的侧面上；

将抗拉材料(4)放置在所述凹口(3)中；以及

绕所述骨架(2)的所述共用中心轴线将所述抗拉材料(4)编织成期望的织物。