CN103982588B - 一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构 - Google Patents

一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构 Download PDF

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Abstract

一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，包括由高弹性的高分子材料制作而成的一个多个相连接的鼓包、填充在鼓包内可流动的并具有重复吸能效果的填充物以及封装填充物的高分子材料封装层，所述填充物的材料为海沙、粘土、泡沫、粘弹性聚合物或纳米多孔颗粒混合流体；本发明将能量转换为填充物与鼓包间的摩擦、填充物内部之间的摩擦以及填充物与高分子材料鼓包的变形能，从而有效地提高了能量的吸收；同时该柔性结构能够重复使用，在多次冲击情况下，也有良好的吸能效果；该柔性结构材料成本低廉，且重量相对较轻，适合大规模生产和应用。

Description

一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构
技术领域
本发明涉及一种柔性结构，具体涉及一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构。
背景技术
目前在航天航空、船舶以及汽车制造等领域，科学家们广泛使用蜂窝夹芯(金属或泡沫材料)结构来吸收冲击所带来的能量，从而达到保护目标结构的目的。这种结构主要由上下两个面板与蜂窝芯通过胶黏剂粘接而成，当受到外载荷时，蜂窝芯将发生坍塌破碎，从而吸收碰撞或冲击带来的应力波和能量。由于蜂窝芯主要由金属或泡沫材料制成，因此其坍塌破碎过程将是不可恢复的，导致该结构在受到多次冲击时，无法对目标结构起到有效的保护作用。
随着对高分子材料性能研究的深入，科学家试图利用纤维增强高聚物等材料来达到吸能效果。这些材料在受到外载荷时，通过大变形、屈曲等原理来吸收能量。这些材料在受到线性、低速冲击时能够较好地实现吸能效果，然而一旦受到非线性、高速冲击时，其吸能效果就会大幅度下降，主要原因在于应力区域化和材料响应时间太长。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，将能量转换为填充物与鼓包间的摩擦、填充物内部之间的摩擦以及填充物与高分子材料鼓包的变形能，从而有效地提高了能量的吸收。同时该柔性结构能够重复使用，在多次冲击情况下，也有良好的吸能效果。该柔性结构材料成本低廉，且重量相对较轻，适合大规模生产和应用。
为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，包括由高弹性的高分子材料制作而成的一个多个相连接的鼓包1、填充在鼓包1内可流动的并具有重复吸能效果的填充物2以及封装填充物2的高分子材料封装层3。
所述高弹性的高分子材料为橡胶、改性橡胶、天然塑料或合成塑料。
所述高分子材料封装层3的材料为橡胶、改性橡胶、天然塑料或合成塑料。
所述可流动的并具有重复吸能效果的填充物2的材料为海沙、粘土、泡沫、粘弹性聚合物或纳米多孔颗粒混合流体。
所述鼓包1的形状为任意形状，可以为半球形、半椭球形或棱柱形。
当封装后的柔性结构受到碰撞或冲击时，鼓包顶部受到的压力增大，促使整个结构发生大变形，而鼓包内部的填充物将承受大部分的压力。由于填充物的可流动性，因此当鼓包受到的压力逐渐增大时，鼓包四周将向外侧撑起。在填充物流动的过程中，将与鼓包发生摩擦吸收部分能量。同时填充物之间也将发生摩擦，进一步提高吸能效果。而高分子材料制作而成的鼓包本身以及填充物本身也会发生变形，将部分能量转化为变形能。因此整个过程实际上是将机械能转化为填充物与鼓包之间的摩擦、填充物内部的摩擦以及填充物与高分子材料鼓包本身的变形能。同时在卸载后，由于高分子材料鼓包具有的高弹性特点以及填充物本身良好的流动性及重复吸能的特点，该柔性结构将迅速恢复到原始形态，有利于多次重复使用。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)当该柔性结构受到冲击时，充分利用填充物与鼓包之间的接触面积以及填充物内部之间的相互作用，和高分子材料鼓包本身可以发生大变形的特点，将机械能转化为填充物与鼓包间的摩擦、填充物内部的摩擦以及填充物与高分子材料鼓包本身的变形能，从而有效地提高吸能的效果。
(2)通过改变鼓包的制作材料或者鼓包的形状，或者是改变填充物的材质，可以有效控制该柔性结构的吸能效果，使得其可以广泛应用于各类碰撞保护。
(2)由于鼓包是用具有高弹性的高分子材料制作而成，因此即便在大变形情况下，该柔性结构也很难发生破裂，并且其磨损破坏的过程也将非常缓慢。
(3)在卸载后，该柔性结构可以很快恢复到起始形态，使得其能承受多次冲击，并且可以很方便地重复多次使用。
(4)由于填充物良好的流动性以及高分子材料本身表现出的柔韧性，极大地提高了人类使用时的舒适性。
(5)该柔性结构所使用的材料成本低廉，且质量相对较轻，便于大规模生产和应用。
附图说明
图1是本发明柔性结构的示意图。
图2是本发明柔性结构吸能示意图。
图3是本发明柔性结构吸能效果与不加填充物时吸能效果的比较图。
图4是对本发明柔性结构进行重复加卸载后的应力—应变曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。
下面首先对本发明的原理和工作过程做如下说明：
当外界给本发明柔性结构施加外力时，填充物将发生流动与鼓包之间发生摩擦，并且填充物内部之间将产生摩擦，同时高分子材料鼓包将发生大变形。因此外界输入的机械能需要克服填充物与鼓包之间的摩擦力和填充物内部发生的摩擦力以及高分子材料鼓包的变形能，其可以表示为：
W＝E1+E2+E3 (1)
其中W为外界做的功，E1为填充物与鼓包之间摩擦消耗的能量，E2为填充物内部摩擦消耗的能量，E3为填充物和高分子材料鼓包吸收的变形能。
而该柔性结构吸收的总能量即可认为是填充物与鼓包之间的摩擦吸能和填充物内部发生的摩擦吸能以及高分子材料鼓包的变形吸能，可以表示为：
E＝E1+E2+E3 (2)
其中E为该柔性结构吸收的总能量。
如图2所示为该柔性结构吸能示意图，从图中可以看出，该柔性结构吸收的总能量明显多于填充物内部发生的摩擦耗散E2和高分子材料鼓包的变形能E3之和，即：E>E2+E3。这部分多吸收的能量就认为是填充物与鼓包之间发生的摩擦耗散。
而在卸载后，由于高分子材料鼓包高弹性的特点以及填充物良好的流动性及重复吸能的特点，将自然的很快恢复到初始形态。因此该柔性结构即便受到多次碰撞冲击时，也能展现出良好的吸能效果，能够有效地进行重复使用。
实施例一
如图1所示，本实施例一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，先利用聚氨酯制作高分子材料鼓包1，然后将海沙作为填充物2加入到鼓包1中去，再利用聚氯乙烯材料作为高分子材料封装层3进行封装。可见，当鼓包1顶部承受冲击时，填充物海沙将主要承受冲击载荷，同时海沙将充分发挥流动性的特点，使整个柔性结构具有良好的缓冲吸能效果。
因此当该柔性结构受到外载荷时，其能量装换的过程即为：填充物海沙与聚氨酯鼓包之间的摩擦、填充物海沙内部之间的摩擦以及填充物和聚氨酯鼓包本身的变形能。
如图3所示为本发明柔性结构吸能效果与不加填充物时吸能效果的比较图，可见该柔性结构的吸收的能量几乎是不加填充物时吸收能量的二十多倍。同时，该柔性结构展现出了良好的大变形能力，在应变达到0.9甚至更大的情况下，也没有发生破裂。
如图4所示为本发明柔性结构进行重复加卸载时的应力—应变曲线图，在多次重复加卸载的情况下，其应力—应变曲线基本重合。因此，即便在多次冲击的情况下，该柔性结构也能很好的起到吸能效果，保护目标结构。得益于其良好的吸能效果，该柔性结构也适合多次重复使用。
实施例二
如图1所示，本实施例一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，先利用改性聚苯乙烯制作高分子材料鼓包1，然后将粘土作为填充物2加入到鼓包1中去，再利用天然橡胶材料作为高分子材料封装层3进行封装。
实施例三
如图1所示，本实施例一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，先利用丁苯橡胶制作高分子材料鼓包1，然后将粘弹性聚合物作为填充物2加入到鼓包1中去，再利用聚氯乙烯材料作为高分子材料封装层3进行封装。
实施例四
如图1所示，本实施例一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，先利用脱硫异戊橡胶制作高分子材料鼓包1，然后将纳米多孔颗粒混合流体作为填充物2加入到鼓包1中去，再利用聚氨酯材料作为高分子材料封装层3进行封装。

Claims (4)

1.一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，其特征在于：包括由高弹性的高分子材料制作而成的一个或多个相连接的鼓包(1)、填充在鼓包(1)内可流动的并具有重复吸能效果的填充物(2)以及封装填充物(2)的高分子材料封装层(3)；所述鼓包(1)的形状为半球形或半椭球形。
2.根据权利要求1所述的一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，其特征在于：所述高弹性的高分子材料为改性橡胶、天然塑料或合成塑料。
3.根据权利要求1所述的一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，其特征在于：所述高分子材料封装层(3)的材料为改性橡胶、天然塑料或合成塑料。
4.根据权利要求1所述的一种可重复使用并具有缓冲吸能效果的柔性结构，其特征在于：所述可流动的并具有重复吸能效果的填充物(2)的材料为海沙、粘土、粘弹性聚合物或纳米多孔颗粒混合流体。
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