CN106286673B - 一种多工况匹配自适应逆势安全结构 - Google Patents

一种多工况匹配自适应逆势安全结构 Download PDF

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Abstract

一种多工况匹配自适应逆势安全结构，包括连接器、锁止件、多连通域单元和内部填充材料；每个多连通域单元由高聚物材料制成，内部为多路不同方向、不同尺寸、不同形状的孔道构成的多连通空心域，该多连通空心域中填充逆势纳米凝胶材料；若干多连通域单元可以通过连接器和锁止件相互连接，构成不同形状和尺寸的适应不同工况的逆势安全结构；本发明冲击能量转换为填充物内部之间的摩擦内能、填充物与高聚物制作的多连通域单元之间的摩擦内能以及多连通域单元的变形能，吸收能量快，安全防护效果显著；该结构能够重复使用，在多次冲击情况下，也有良好的吸能效果；该结构可以同时应对多方向复杂工况冲击，并且可以根据应用场合空间要求自由组装，适应性强。

Description

一种多工况匹配自适应逆势安全结构
技术领域
本发明涉及一种逆势安全结构，具体涉及一种多工况匹配自适应逆势安全结构。
背景技术
目前在桥梁建筑、轨道交通、矿山、船舶和汽车制造等领域，工程技术人员广泛使用液压缓冲、薄壁构件等来吸收冲击所带来的能量，从而达到保护目标结构的目的。液压缓冲吸能的原理是冲击作用在液压器件上，利用油液的粘性阻尼作用，将部分冲击能量通过节流孔吸收转化为油液的热能并散发掉。液压缓冲装置结构复杂、维修不便、密封要求高、并且对环境温度变化敏感，成产成本和保养费用高。薄壁构件吸能是利用薄壁结构在受到外力时变形乃至压溃吸收和消耗冲击能量，其结构相对简单，但薄壁结构受冲击塑性变形乃至压溃，仅能承受一次冲击，不能用于交变冲击，不能重复使用。
随着对高分子材料性能研究的深入，科学家和工程技术人员尝试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，并进一步转变为内能耗散。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速度慢。
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多工况匹配自适应逆势安全结构，将冲击能量转换为填充材料内部之间的摩擦内能、填充材料和多连通域单元之间的摩擦内能以及多连通域单元的变形能，从而有效地提高了能量的吸收，增强了安全防护效果；该结构能够重复使用，在多次冲击情况下，也有良好的吸能效果；该结构可以同时应对多方向复杂工况冲击，并且可以根据应用场合空间要求自由组装，适应性强；该结构材料成本低廉，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：
一种多工况匹配自适应逆势安全结构，包括多个由高聚物材料制成的多连通域单元1、填充在多连通域单元1内部可流动且具有良好吸能效果的填充材料2、用来连接多个多连通域单元1的连接器3以及设置在多连通域单元1和连接器3间防止多连通域单元1周向运动的锁止件4。
所述多连通域单元1包括形状为纺锤状或者圆筒状的外壳1-1，设置在外壳1-1内形状为陀螺状的内芯1-2，构成其内部多连通空心域的孔道1-3，孔道1-3的方向包括轴向、径向和周向。
所述连接器3上加工有固定多连通域单元1的多个盲孔，该盲孔底部有定位槽以固定形状为圆锥状带有外螺纹的锁止件4防止其周向运动，所述多连通域单元1端部在旋入连接器3过程中由于受到锁止件4扩张作用，端部被扩展成带内螺纹的圆锥状，与连接器3实现良好固定连接，防止多连通域单元1从连接器3中滑脱。
所述高聚物材料为天然橡胶、合成橡胶、天然树脂或者合成树脂。
所述具有良好吸能效果的填充材料2为逆势纳米凝胶材料。
所述连接器3为球形或者多面体形；连接器3上用来固定多连通域单元1的盲孔剖面为倒梯形或者矩形。
所述连接器3的材料为钢材、陶瓷、树脂或者合金。
所述锁止件4的材料为钢材、陶瓷或者合金。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)填充材料在高聚物制成的多连通域单元内部受到复杂边界约束，受到冲击作用时流动状态复杂，从而填充材料内部之间摩擦吸能效果好，增强了该结构的安全防护性能。
(2)多连通域单元内部孔道构成复杂，与填充材料接触充分，摩擦面积大，极大提升了该结构的安全防护性能。
(3)该安全防护结构可以通过连接器和锁止件装配成多种形状和尺寸，适应不同场合的空间要求。
(4)该结构可以同时承受来自不同方向的冲击且具有相近的防护效果，适应多种安全防护需求。
(5)该结构可以重复变形并且回复原状，可以适应交变冲击和长期重复使用。
(7)该结构制作材料相对经济，制作工艺要求较低，适于大规模推广应用。
附图说明
图1是本发明逆势安全结构一个基本构件示意图。
图2是本发明多连通域单元示意图。
图3是本发明连接器和锁止件示意图。
图4是本发明实施方式1示意图。
图5是本发明实施方式2示意图。
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。
参照图1，一种多工况匹配自适应逆势安全结构，包括由高聚物材料制成的多连通域单元1、填充在多连通域单元1内部可流动且具有良好吸能效果的填充材料2以及用来连接多个多连通域单元1的连接器3和锁止件4。图中所示三个多连通域单元1通过一个连接器3和锁止件4组成的一个基本构件；每个多连通域单元1另一端也可以装连接器3，因此可以连接更多的多连通域单元1，通过多次组装，可以得到不同形状和尺寸的逆势安全结构。以图1所示的基本构件为例，每个多连通域单元1轴向的承受冲击能量相同，因此该结构可以同时承受来自于不同方向的冲击，适应多种安全防护场合。
参照图2，一个多连通域单元1由高聚物材料制成；其纺锤状的空心外壳1-1内部具有一个陀螺状的内芯1-2，该内芯1-2的两端与外壳1-1固定，内芯1-2其他部位与外壳1-1存在间隙，内芯1-2的两侧轴部位有轴向的孔道1-3，内芯的中间凸起部位有轴向、径向以及周向的孔道1-3，这些孔道1-3在相互交叉的位置连通；内芯1-2中的孔道1-3和内芯1-2与外壳1-1之间的间隙相互连通，共同构成多连通域单元1内部的多连通空心域；在多连通空心域中填充选定的可流动填充材料2。受到冲击时，填充材料2在该空心域中流动，由于该空心域的孔道1-3方向多，连通位置多，结构复杂，因此填充材料2流动状态复杂，填充材料2内部之间的摩擦充分，并且填充材料2与该多连通域单元1内表面摩擦面积大，吸收冲击能量效果好，安全防护性能高。
参照图3，多连通域单元1与连接器3通过锁止件4连接。连接器3上加工出盲孔，该盲孔底部有定位槽以固定锁止件4防止其周向运动，多连通域单元1端部内螺纹与圆锥锁止件4外螺纹构成连接，多连通域单元1是弹性材料制成，因此其端部在旋入连接器3过程中由于受到锁止件4扩张作用而被扩展成圆锥状，与连接器3实现良好固定连接，防止多连通域单元1从连接器3中滑脱。
参照图4，该逆势安全结构的一种应用实施方式是多连通域单元1构成体心立方晶格结构，此种实施方式下，该结构中多连通域单元1受力状态分为拉压受力和弯曲受力，该结构具有六个承受冲击力能力相同的方向，多连通域单元1布置方向较少，受力状态较简单且结构弹性较大，适用于轻载冲击。
参照图5，该结构另一种实施方式是多连通域单元1构成金刚石晶体结构，此种实施方式下，结构中各多连通域单元1受力情况相似，均为弯曲受力状态，该结构具有六个承受冲击力能力相同的方向，多连通域单元1布置方向多，结构刚度大，适用于重载冲击。

Claims (4)

1.一种多工况匹配自适应逆势安全结构，其特征在于：包括多个由高聚物材料制成的多连通域单元(1)、填充在多连通域单元(1)内部可流动且具有吸能效果的材质为逆势纳米凝胶材料的填充材料(2)、用来连接多个多连通域单元(1)的外形为球形或者多面体形的连接器(3)以及设置在多连通域单元(1)和连接器(3)间防止多连通域单元(1)周向运动的锁止件(4)，连接器(3)上加工有固定多连通域单元(1)的剖面为倒梯形或者矩形的多个盲孔，该盲孔底部有定位槽以固定形状为圆锥状带有外螺纹的锁止件(4)防止其周向运动，多连通域单元(1)端部在旋入连接器(3)过程中由于受到锁止件(4)扩张作用，端部被扩展成带内螺纹的圆锥状，与连接器(3)实现固定连接，防止多连通域单元(1)从连接器(3)中滑脱；
所述多连通域单元(1)包括形状为纺锤状或者圆筒状的外壳(1-1)，设置在外壳(1-1)内形状为陀螺状的内芯(1-2)，构成其内部多连通空心域的孔道(1-3)，孔道(1-3)的方向包括轴向、径向和周向；
所述的多连通域单元(1)通过一个连接器(3)和锁止件(4)组成的一个基本构件；每个多连通域单元(1)另一端也可以装连接器(3)，因此可以连接更多的多连通域单元(1)，通过多次组装，可以得到不同形状和尺寸的逆势安全结构；
该内芯(1-2)的两端与外壳(1-1)固定，内芯(1-2)其他部位与外壳(1-1)存在间隙，内芯(1-2)的两侧轴部位有轴向的孔道(1-3)，内芯的中间凸起部位有轴向、径向以及周向的孔道(1-3)，这些孔道(1-3)在相互交叉的位置连通；内芯(1-2)中的孔道(1-3)和内芯(1-2)与外壳(1-1)之间的间隙相互连通，共同构成多连通域单元(1)内部的多连通空心域；在多连通空心域中填充可流动填充材料(2)；
所述的多连通域单元(1)，可以针对轻载冲击和重载冲击工作在两种减震吸能模式下，其过程为：多连通域单元(1)构成体心立方晶格结构，此种模式下，该体心立方晶格结构中多连通域单元(1)受力状态分为拉压受力和弯曲受力，该体心立方晶格结构具有六个承受冲击力能力相同的方向，多连通域单元(1)布置方向较少，受力状态较简单且结构弹性较大，适用于轻载冲击；另一种模式是多连通域单元(1)构成金刚石晶体结构，此种模式下，金刚石晶体结构中各多连通域单元(1)受力情况相似，均为弯曲受力状态，该结构具有六个承受冲击力能力相同的方向，多连通域单元(1)布置方向多，结构刚度大，适用于重载冲击。
2.根据权利要求1所述的一种多工况匹配自适应逆势安全结构，其特征在于：所述高聚物材料为天然橡胶、合成橡胶、天然树脂或者合成树脂。
3.根据权利要求1所述的一种多工况匹配自适应逆势安全结构，其特征在于：所述连接器(3)的材料为陶瓷、树脂或者合金。
4.根据权利要求1所述的一种多工况匹配自适应逆势安全结构，其特征在于：所述锁止件(4)的材料为陶瓷或者合金。
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