CN106081356B - 一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明将蜂窝胞元分为折叠区和非折叠区两个区域，对折叠区的蜂窝胞元在异面方向进行一次或多次相同角度或不同角度的折叠处理，每次折叠取蜂窝胞元高度将折叠区和非折叠区的蜂窝胞元进行串联连接，连接后在与异面方向垂直的平面进行阵列，可以有效降低蜂窝缓冲装置峰值应力，提高蜂窝缓冲装置吸能效率。

Description

一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置及设计方法
技术领域
本发明涉及一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置及设计方法，用于被动安全防护、星球探测着陆缓冲等领域。
背景技术
蜂窝缓冲装置由于其缓冲吸能能力强、变形可控且受环境因素影响较小等特点，被广泛应用于轨道车辆被动安全防护领域及星球探测着陆缓冲吸能领域。目前评价蜂窝缓冲装置缓冲性能通常采用蜂窝平均应力与峰值应力比值即蜂窝缓冲装置吸能效率进行评价。提高蜂窝缓冲装置吸能效率主要通过提高蜂窝缓冲装置平均应力或降低峰值应力实现。然而蜂窝缓冲装置平均应力与结构参数密切相关，在不改变结构参数条件下难以有效提高平均应力，且传统的蜂窝缓冲装置其峰值应力也难以得到有效降低。
发明内容
本发明的技术解决问题：为了克服现有技术的不足，提供一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置及设计方法，通过对蜂窝缓冲装置异面方向进行部分折叠处理，以降低蜂窝缓冲装置异面方面峰值应力提高吸能效率。
本发明的技术解决方案是：
一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置，包括非折叠区和折叠区，每个非折叠区与折叠区均由若干组中空蜂窝胞元多面体结构组成，定义中空方向为Z轴方向，非折叠区与折叠区的蜂窝胞元沿Z轴垂直面方向呈阵列式分布，折叠区与非折叠区蜂窝胞元沿Z轴方向连接，折叠区至少进行一次偏折，进行第一次偏折时取任意方向，第一次偏折后蜂窝胞元表面与非折叠区蜂窝胞元表面间的夹角为锐角k1，后续每次偏折与前一次偏折方向相反，每次偏折后折叠区蜂窝胞元表面与非折叠区蜂窝胞元表面间的夹角分别取锐角k2、k3…～kn,其中n为经过n次偏折，每次偏折取蜂窝胞元高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元边长。
k1、k2…～kn的夹角范围为18°～74°。
每个非折叠区与折叠区均由若干组中空蜂窝胞元多面体结构组成，胞元多面体结构可为相同胞元结构，也可为不同胞元结构。
对于六边形相同蜂窝胞元多面体，每次偏折取蜂窝胞元高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元任意边长。
对于正三边形相同蜂窝胞元多面体，每次偏折取蜂窝胞元高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l为蜂窝胞元任意边长。
对于正四边形相同蜂窝胞元多面体，每次偏折取蜂窝胞元高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l为蜂窝胞元任意边长。
一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置设计方法，蜂窝缓冲装置包括折叠区和非折叠区，每个非折叠区与折叠区均由若干组中空蜂窝胞元多面体结构组成，其特征在于，具体步骤为：
步骤1，建立坐标系：以非折叠区蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直且为折叠区和非折叠区交界平面上选取蜂窝胞元任意边长方向为X轴方向，根据右手定则确定Y轴方向；
步骤2，折叠蜂窝设计：第一次折叠首先选取高度为的蜂窝胞元进行折叠，其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元任意边长，折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为18°～74°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为24°～69°；
步骤3，非折叠蜂窝设计：选择与折叠蜂窝相同的蜂窝胞元结构，在Z轴方向与折叠蜂窝进行连接；
步骤4，将连接后的蜂窝胞元在X-Y平面内阵列。
还可以在步骤2的基础上，继续进行多次折叠，每次折叠方向与前一次折叠方向相反，折叠高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元任意边长，每次折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为18°～74°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为24°～69°。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明将蜂窝胞元分为折叠区和非折叠区两个区域，对折叠区的蜂窝胞元在异面方向进行一次或多次相同角度或不同角度的折叠处理，每次折叠取蜂窝胞元高度将折叠区和非折叠区的蜂窝胞元进行串联连接，连接后再与异面方向垂直的平面进行阵列，可以有效降低蜂窝缓冲装置峰值应力，提高蜂窝缓冲装置吸能效率；
(2)本发明蜂窝缓冲装置具有部分折叠特征，对蜂窝缓冲装置总吸能量即吸能能力几乎没有影响，但对蜂窝缓冲装置有效吸能效率有显著提高，对蜂窝缓冲装置小形化，轻量化有重要意义；
(3)本发明涉及的蜂窝缓冲装置与设计方法，扩展了蜂窝缓冲装置在被动安全领域的应用，对金属和非金属蜂窝缓冲装置以及蜂窝胞元多面体组成的不同拓扑构型的蜂窝缓冲装置吸能效率均有提升，通过合理的折叠设计，可应用于交通车辆被动安全防护以及星球探测、小行星探测等缓冲装置中，由于本发明可有效降低蜂窝缓冲装置初始峰值应力，扩展了蜂窝缓冲装置在许用安全应力较低的设计工况下的应用。
附图说明
图1为本发明蜂窝缓冲装置各方向示意图；
图2为本发明蜂窝缓冲装置截面图；
图3为本发明异面载荷作用下蜂窝结构应力-应变曲线图；
图4为本发明折叠蜂窝缓冲装置图；
图5为本发明实施例1经折叠后蜂窝装置应力-应变曲线图；
图6为未经折叠处理的蜂窝装置应力-应变曲线图；
图7为本发明实施例2经折叠后蜂窝装置应力-应变曲线图；
图8为本发明实施例3经折叠后蜂窝装置应力-应变曲线图；
图9为图4的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，蜂窝结构z轴方向称为异面方向，蜂窝结构x-y平面方向称为共面方向。本发明涉及一种提高蜂窝缓冲装置异面方向吸能效率的缓冲装置及设计方法，蜂窝缓冲装置包括非折叠区和折叠区，每个非折叠区与折叠区均由若干组中空蜂窝胞元多面体结构组成，定义中空方向为Z轴方向，非折叠区与折叠区的蜂窝胞元沿Z轴垂直面方向呈阵列式分布，折叠区与非折叠区蜂窝胞元沿Z轴方向连接，折叠区至少进行一次偏折，进行第一次偏折时取任意方向，第一次偏折后蜂窝胞元表面与非折叠区蜂窝胞元表面间的夹角为锐角k1，后续每次偏折与前一次偏折方向相反，每次偏折后折叠区蜂窝胞元表面与非折叠区蜂窝胞元表面间的夹角分别取锐角k2、k3…～kn,其中n为经过n次偏折，每次偏折取蜂窝胞元高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元边长，详细如图2所示。
当蜂窝结构受到异面载荷作用时，其变形过程力学特性可以分为三个阶段：初始阶段的弹性变形阶段，稳态塑性压溃阶段及密实阶段，如图3所示，对于蜂窝结构，在加载的初始阶段中，蜂窝胞元发生弯曲变形，载荷未达到蜂窝结构屈曲强度之前，应力表现出随应变增加而线性增大的趋势，当载荷超过屈曲强度时，蜂窝结构进入塑性变形阶段，蜂窝结构在弹性区的最大应力值定义为峰值应力Pcr。蜂窝结构进入塑性变形阶段后，通过沿异面方向的塑性坍塌变形吸收能量，通常将该阶段应力的平均值定义为蜂窝结构的平均应力Pm。伴随着变形逐渐增加，蜂窝结构最终被压实，其胞元材料进一步堆叠在一起，导致最后阶段应力急剧增大。采用蜂窝结构作为缓冲装置时，定义压实阶段的蜂窝结构应变值为蜂窝缓冲装置有效吸能的极限应变。吸能能力和缓冲效率是表征蜂窝缓冲装置吸能性能及缓冲装置设计的一个重要指标，吸能能力通常用平均应力进行表征，缓冲效率η定义为蜂窝结构平均应力与峰值应力的比值即η＝Pm/Pcr。
通过以下建模方法可实现本发明涉及的蜂窝结构建模，为便于表达而又不失普示性，取两次折叠为例建立本发明涉及的蜂窝模型，如图4所示，在蜂窝结构顶端，取特定长度2H的区域作为蜂窝缓冲装置折叠区域。折叠处理的蜂窝区域可划分为两部分，其顶端与底端在x-y方向截面完全一致，通过改变两端相交处截面位置实现折叠处理。
具体建模方式如图9所示，在蜂窝结构顶端取长度为的区域进行折叠处理，并将该区域沿z方向平均分为两部分，其中上部分顶端截面称为截面1，下部分底端截面称为截面2，两部分相交截面称为截面3，三个截面蜂窝胞元多面体组成的拓扑构型与结构参数完全相同，且截面1和截面2在x-y方向位置相同，通过调整截面3与其他两截面位置在x-y平面的位置关系，来确定顶端折叠区域的结构形式。如图9所示，在上端折叠区域建立局部坐标系x`y`z`，设E点为圆点O`，EF边与y`轴重合，且截面2在x`o`y`平面内。定义截面1中A点坐标为x1A`y1A`z1A`，B点坐标为x1B`y1B`z1B`，截面2中E点坐标为x2E`y2E`z2E`，F点坐标为x2F`y2F`z2F`，截面3中C点坐标为x3C`y3C`z3C`，D点坐标为x3D`y3D`z3D`。按照折叠处理要求，对三个截面6个点坐标有如下限制：x1A`＝x2E`＝x3C`-l/6，y1A`＝y2E`＝y3C`-w/6，z1A`＝2H，z2E`＝0，z3C`＝H，x1B`＝x2F`＝x3D`-l/6，y1B`＝y2F`＝y3D`-w/6，z1B`＝2H，z2F`＝0，z3D`＝H，即z方向上截面3位于截面1与截面2正中，且截面3与其它两截面在x`-y`面内x`方向相差l/6，y`方向相差w/6。通过截面1与截面3连接建立折叠区上半部分蜂窝结构胞元，通过截面3和截面2连接建立折叠区下半部分蜂窝结构胞元，通过截面2拉伸建立非折叠区蜂窝胞元，胞元间彼此串联连接，生成本发明涉及的蜂窝缓冲装置。
一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置设计方法，蜂窝缓冲装置包括折叠区和非折叠区，每个非折叠区与折叠区均由若干组中空蜂窝胞元多面体结构组成，具体步骤为：
步骤1，建立坐标系：以非折叠区蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直且为折叠区和非折叠区交界平面上选取蜂窝胞元任意边长方向为X轴方向，根据右手定则确定Y轴方向；
步骤2，折叠蜂窝设计：第一次折叠首先选取高度为的蜂窝胞元进行折叠，其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元任意边长，折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为18°～74°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为24°～69°；
步骤3，非折叠蜂窝设计：选择与折叠蜂窝相同的蜂窝胞元结构，在Z轴方向与折叠蜂窝进行连接；
步骤4，将连接后的蜂窝胞元在X-Y平面内阵列。
还可以在步骤2的基础上，继续进行多次折叠，每次折叠方向与前一次折叠方向相反，折叠高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元任意边长，每次折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为18°～74°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为24°～69°。
实施例1：
取蜂窝胞元边长l为6mm，w为6mm，厚度t为0.04mm，胞元夹角α为30°。建立坐标系1，以非折叠区蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直且为折叠区和非折叠区交界平面上选取蜂窝胞元任意边长方向为X轴方向，根据右手定则确定Y轴方向；对蜂窝沿异面方向进行两次折叠，第一次折叠后折叠区域蜂窝结构与XZ平面方向夹角为18°，与YZ平面方向夹角为24°，第一次折叠蜂窝高度为0.81mm。第二次折叠与第一次折叠方向相反，同样折叠后折叠区域蜂窝结构与XZ平面方向夹角为18°，与YZ平面方向夹角为24°，折叠高度为0.81mm。
经折叠后蜂窝缓冲装置受异面方向载荷作用下的应力-应变曲线如图5所示，未经折叠处理的蜂窝缓冲装置受异面方向载荷作用下的应力-应变曲线如图6所示，通过计算可得本案例经预折叠处理的蜂窝缓冲装置平均应力为Pm＝0.303Mpa，峰值应力为Pcr＝0.41Mpa，吸能效率为η＝Pm/Pcr＝73.9％。本案例未经折叠处理的蜂窝缓冲装置平均应力为Pm＝0.303Mpa，峰值应力为Pcr＝0.936Mpa，吸能效率为η＝Pm/Pcr＝33.4％。本方法折叠后的蜂窝缓冲装置吸能效率提高了2.21倍，且没有降低蜂窝缓冲装置吸能能力。
实施例2：
取蜂窝胞元边长l为6mm，w为6mm，厚度t为0.04mm，胞元夹角α为30°。建立坐标系1，以非折叠区蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直且为折叠区和非折叠区交界平面上选取蜂窝胞元任意边长方向为X轴方向，根据右手定则确定Y轴方向；对蜂窝沿异面方向进行两次折叠，第一次折叠后折叠区域蜂窝结构与XZ平面方向夹角为53°，与YZ平面方向夹角为65°，第一次折叠蜂窝高度为0.81mm。第二次折叠与第一次折叠方向相反，同样折叠后折叠区域蜂窝结构与XZ平面方向夹角为53°，与YZ平面方向夹角为65°，折叠高度为0.81mm。
经折叠后蜂窝缓冲装置受异面方向载荷作用下的应力-应变曲线如图7所示，通过计算可得本案例经预折叠处理的蜂窝缓冲装置平均应力为Pm＝0.303Mpa，峰值应力为Pcr＝0.424Mpa，吸能效率为η＝Pm/Pcr＝71.5％。本案例未经折叠处理的蜂窝缓冲装置平均应力为Pm＝0.303Mpa，峰值应力为Pcr＝0.936Mpa，吸能效率为η＝Pm/Pcr＝33.4％。本方法折叠后的蜂窝缓冲装置吸能效率提高了2.14倍，且没有降低蜂窝缓冲装置吸能能力。
实施例3：
取蜂窝胞元边长l为6mm，w为6mm，厚度t为0.04mm，胞元夹角α为30°。建立坐标系1，以非折叠区蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直且为折叠区和非折叠区交界平面上选取蜂窝胞元任意边长方向为X轴方向，根据右手定则确定Y轴方向；对蜂窝沿异面方向进行两次折叠，第一次折叠后折叠区域蜂窝结构与XZ平面方向夹角为69°，与YZ平面方向夹角为76°，第一次折叠蜂窝高度为0.81mm。第二次折叠与第一次折叠方向相反，同样折叠后折叠区域蜂窝结构与XZ平面方向夹角为69°，与YZ平面方向夹角为76°，折叠高度为0.81mm。
经折叠后蜂窝缓冲装置受异面方向载荷作用下的应力-应变曲线如图8所示，通过计算可得本案例经预折叠处理的蜂窝缓冲装置平均应力为Pm＝0.303Mpa，峰值应力为Pcr＝0.451Mpa，吸能效率为η＝Pm/Pcr＝67.2％。本案例未经折叠处理的蜂窝缓冲装置平均应力为Pm＝0.303Mpa，峰值应力为Pcr＝0.936Mpa，吸能效率为η＝Pm/Pcr＝33.4％。本方法折叠后的蜂窝缓冲装置吸能效率提高了2.01倍，且没有降低蜂窝缓冲装置的吸能能力。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置，其特征在于，包括非折叠区和折叠区，每个非折叠区与折叠区均由中空蜂窝胞元多面体结构组成，定义中空方向为Z轴方向，非折叠区与折叠区的蜂窝胞元沿Z轴垂直面方向呈阵列式分布，折叠区与非折叠区蜂窝胞元沿Z轴方向连接，折叠区至少进行一次偏折，进行第一次偏折时取任意方向，第一次偏折后蜂窝胞元表面与非折叠区蜂窝胞元表面间的夹角为锐角k1，后续每次偏折与前一次偏折方向相反，每次偏折后折叠区蜂窝胞元表面与非折叠区蜂窝胞元表面间的夹角分别取锐角k2、k3…～kn,其中n为经过n次偏折，每次偏折取蜂窝胞元高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元边长。
2.如权利要求1所述的一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置，其特征在于：k1、k2…～kn的夹角范围为18°～74°。
3.如权利要求1所述的一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置，其特征在于：每个非折叠区与折叠区均由中空蜂窝胞元多面体结构组成，胞元多面体结构可为相同胞元结构，也可为不同胞元结构。
4.如权利要求3所述的一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置，其特征在于：对于六边形相同蜂窝胞元多面体，每次偏折取蜂窝胞元高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元任意边长。
5.如权利要求3所述的一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置，其特征在于：对于正三边形相同蜂窝胞元多面体，每次偏折取蜂窝胞元高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l为蜂窝胞元任意边长。
6.如权利要求3所述的一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置，其特征在于：对于正四边形相同蜂窝胞元多面体，每次偏折取蜂窝胞元高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l为蜂窝胞元任意边长。
7.一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置设计方法，蜂窝缓冲装置包括折叠区和非折叠区，每个非折叠区与折叠区均由中空蜂窝胞元多面体结构组成，其特征在于，具体步骤为：
步骤1，建立坐标系：以非折叠区蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直且为折叠区和非折叠区交界平面上选取蜂窝胞元任意边长方向为X轴方向，根据右手定则确定Y轴方向；
步骤2，折叠蜂窝设计：第一次折叠首先选取高度为的蜂窝胞元进行折叠，其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元任意边长，折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为18°～74°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为24°～69°；
步骤3，非折叠蜂窝设计：选择与折叠蜂窝相同的蜂窝胞元结构，在Z轴方向与折叠蜂窝进行连接；
步骤4，将连接后的蜂窝胞元在X-Y平面内阵列。
8.如权利要求7所述的一种提高吸能效率的蜂窝缓冲装置设计方法，其特征在于：还可以在步骤2的基础上，继续进行多次折叠，每次折叠方向与前一次折叠方向相反，折叠高度为其中t为蜂窝胞元厚度，l和w为蜂窝胞元任意边长，每次折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为18°～74°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为24°～69°。
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