CN106678221B - 一种提高结构强度的蜂窝结构及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明蜂窝结构由周期性折叠的蜂窝胞元阵列组成，周期性折叠可提高蜂窝结构共面方向结构强度，当蜂窝结构作为缓冲吸能结构时可提高其吸能能力，同时，该蜂窝结构具有近似各向同性特性；对每个折叠周期的蜂窝胞元进行两次折叠，第一次折叠方向任意，第二次折叠方向与第一次折叠方向相反，折叠后蜂窝胞元表面与折叠前蜂窝胞元表面夹角范围在10°～34°间，将周期性折叠蜂窝胞元沿异面方向进行串联连接，连接后在共面方向进行阵列，可以有效的提高蜂窝结构共面方向结构强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高结构强度的蜂窝结构及设计方法，可用于包装工程、车辆被动安全防护、星球探测着陆缓冲等领域以及建筑行业中作为支撑功能结构。
背景技术
蜂窝结构作为一种优良环保的缓冲材料以及支撑结构，具有无污染、成本低、弹性好且承重量大等优点，其在结构破损和塑性变形的过程中会吸收大量能量，且整个过程以较低的质量吸收较大的冲击力，是一种极具发展空间的运输包装材料和缓冲吸能材料，在运输包装和被动安全防护中占有重要地位，同时由于结构强度大，质量轻在建筑行业中经常被用作支撑结构。
结构强度是评价蜂窝结构性能的重要指标，结构强度决定了蜂窝结构缓冲吸能能力和支撑强度，结构强度可通过计算蜂窝结构受压缩载荷产生的抵抗力平均值得到。当蜂窝结构作为缓冲结构时，吸能能力可通过蜂窝结构的结构强度与有效工作行程（工作过程中载荷方向位移）乘积得到。因此，提升蜂窝结构吸能能力主要通过提高蜂窝结构强度或增加蜂窝结构有效工作行程实现。然而传统蜂窝结构通常为平整的正六边形蜂窝结构，其结构强度和有效工作行程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吸能能力。
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，提供一种提高结构强度的蜂窝结构及设计方法，通过对蜂窝结构异面方向进行周期性折叠处理，以提高蜂窝结构共面方向结构强度进而提高吸能能力。
本发明的技术解决方案是：
一种提高结构强度的蜂窝结构，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，在与Z轴垂直的任意平面内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，沿蜂窝胞元结构Z轴方向进行周期性折叠，每周期折叠两次作为一个折叠单元，第一次折叠时折叠方向任意，第二次折叠方向与第一次折叠方向相反，每个折叠周期高度取蜂窝胞元X-Y截面最长边值，将每个折叠单元沿Z轴方向连接，连接后结构沿X-Y平面方向进行阵列式分布，组成周期性折叠蜂窝结构。
每次折叠后蜂窝胞元表面与折叠前蜂窝胞元表面夹角范围为10°～34°。
蜂窝胞元结构可以为相同胞元结构，也可以为不同胞元结构。
对于正六边形相同蜂窝胞元多面体、正三边形相同蜂窝胞元多面体和正四边形相同蜂窝胞元多面体，每个折叠周期高度均取蜂窝胞元X-Y截面最长边值。
一种提高结构强度的蜂窝结构设计方法，蜂窝结构由中空蜂窝胞元多面体结构组成，沿蜂窝胞元结构Z轴方向进行周期性折叠，每周期折叠两次，具体步骤为：
（1）建立坐标系：以蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直且为每个折叠周期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；
（2）折叠蜂窝设计：第一次折叠首先选取高度为蜂窝X-Y平面方向各蜂窝胞元中最长边长度一半的蜂窝胞元进行折叠，折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为10°～26°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为30°～44°；
（3）第二次折叠选择与第一次折叠同样高度蜂窝胞元进行折叠，折叠方向与第一次方向相反，折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为10°～26°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为30°～44°；
（4）重复步骤（2）、步骤（3）N次，将N次折叠后的蜂窝胞元沿Z轴方向连接，并将连接好的胞元组合在X-Y平面内阵列。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）本发明蜂窝结构由周期性折叠的蜂窝胞元阵列组成，周期性折叠可提高蜂窝结构共面方向结构强度，提高蜂窝结构缓冲吸能能力，同时，该蜂窝结构具有近似各向同性特性；对每个折叠周期的蜂窝胞元进行两次折叠，第一次折叠方向任意，第二次折叠方向与第一次折叠方向相反，折叠后蜂窝胞元表面与折叠前蜂窝胞元表面夹角范围在10°～34°间，将周期性折叠蜂窝胞元沿异面方向进行串联连接，连接后在共面方向进行阵列，可以有效的提高蜂窝结构共面方向结构强度进而提高其缓冲吸能能力；
（2）本发明的设计方法为一种通用方法，对金属和非金属蜂窝结构以及不同蜂窝胞元多面体拓扑构型的蜂窝结构共面方向结构强度均有提升；
（3）本发明涉及的蜂窝结构与设计方法，扩展了蜂窝缓冲结构在被动安全领域的应用，通过合理的折叠设计，可应用于包装防护工程、交通车辆被动安全防护以及星球探测、小行星探测等缓冲结构中，由于本发明可以显著提高蜂窝结构共面方向结构强度，使传统的各向异性蜂窝结构转变为近似各向同性蜂窝结构，可满足具有多向冲击载荷作用的缓冲结构设计要求。
附图说明
图1为蜂窝结构各方向示意图；
图2为蜂窝结构截面图；
图3为共面载荷作用下蜂窝结构载荷-位移曲线图；
图4为本发明周期性折叠蜂窝结构图；
图5 为本发明实施例1经周期性折叠后蜂窝结构载荷-位移曲线图；
图6 为未经折叠处理的蜂窝结构载荷-位移曲线图；
图7 为本发明实施例2经周期性折叠后蜂窝结构载荷-位移曲线图；
图8 为本发明实施例3经周期性折叠后蜂窝结构载荷-位移曲线图；
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结构共面方向结构强度的蜂窝结构及设计方法，蜂窝结构由中空蜂窝胞元多面体结构组成，沿蜂窝胞元结构异面方向进行周期性折叠，每周期折叠两次作为一个折叠单元，第一次折叠时折叠方向任意，第二次折叠方向与第一次折叠方向相反，每个折叠周期高度取蜂窝胞元X-Y截面最长边值，定义蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直的任意平面内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，将每个折叠单元沿Z轴方向连接，连接后结构沿X-Y平面方向进行阵列式分布，组成周期性折叠蜂窝结构。
如图2所示，蜂窝结构的主要参数包括胞元厚度t(mm)，胞元边长l(mm)与w(mm)，以及胞元夹角α。
当蜂窝结构受到共面载荷作用时，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，载荷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载荷值定义为峰值载荷P cr 。蜂窝结构进入塑性变形阶段后，通过沿共面方向的塑性弯曲变形吸收能量，通常将该阶段载荷的平均值定义为蜂窝结构的结构强度P m 。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，导致最后阶段载荷急剧增大。吸能能力是表征蜂窝结构吸能性能和缓冲装置设计的一个重要指标，通常定义在极限位移（d l ）下，蜂窝结构变形过程吸收的能量E为蜂窝结构结构强度与极限位移的乘积，即E=P m Xd l 。
通过以下建模方法可实现本发明涉及的蜂窝结构建模，如图4所示，在蜂窝结构异面方向取一特定长度H作为折叠模块对蜂窝结构进行周期性折叠处理。每一折叠模块可划分为两部分，其顶端截面与底端截面结构参数在X-Y方向完全一致，通过改变两端相交处截面位置实现折叠处理。每个折叠周期长度H=2l，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3，三个截面拓扑构型与结构参数完全相同，且截面1沿Z向在X-Y平面的投影与截面2在X-Y平面内位置重合，通过调整截面3在X-Y平面的位置，来确定每个折叠周期的折叠形式。
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x`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x 1A `y 1A `z 1A `，B点坐标为x 1B `y 1B `z 1B `，截面2中E点坐标为x 2E `y 2E `z 2E `，F点坐标为x 2F `y 2F `z 2F `，截面3中C点坐标为x 3C `y 3C `z 3C `，D点坐标为x 3D `y 3D `z 3D `。按照折叠处理要求，对三个截面6个点坐标有如下限制：x 1A `= x 2E `= x 3C `-w/4，y 1A `= y 2E `= y 3C `-l/4，z 1A `=2l，z 2E `=0，z 3C `=l，x 1B `= x 2F `= x 3D `-w/4，y 1B `= y 2F `= y 3D `-l/4，z 1B `=2l，z 2F `=0，z 3D `=l，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w/4，y`方向相差l/4。
一种提高结构强度的蜂窝结构设计方法，蜂窝结构由中空蜂窝胞元多面体结构组成，沿蜂窝胞元结构Z轴方向进行周期性折叠，每周期折叠两次，具体步骤为：
（1）建立坐标系：以蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直且为每个折叠周期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；
（2）折叠蜂窝设计：第一次折叠首先选取高度为蜂窝X-Y平面方向各蜂窝胞元中最长边长度一半的蜂窝胞元进行折叠，折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为10°～26°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为30°～44°；
（3）第二次折叠选择与第一次折叠同样高度蜂窝胞元进行折叠，折叠方向与第一次方向相反，折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为10°～26°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为30°～44°；
（4）重复步骤（2）、步骤（3）N次，将N次折叠后的蜂窝胞元沿Z轴方向连接，并将连接好的胞元组合在X-Y平面内阵列。
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°,蜂窝结构包络尺寸为67mmX68mmX48mm。建立坐标系1，以蜂窝结构异面方向为坐标系Z轴方向，在选取蜂窝顶端所在平面为XY平面，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10°，与YZ平面方向夹角为30°，第一次折叠蜂窝高度为3mm；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10°，与YZ平面方向夹角为30°，折叠高度为3mm。
经折叠后蜂窝结构受共面方向载荷作用下的载荷-位移曲线如图5所示，未经折叠处理的蜂窝结构受共面方向载荷作用下的载荷-位移曲线如图6所示，通过计算可得本实施例经周期性折叠处理的蜂窝结构结构强度为P m =66.92N，极限位移d l =48mm，总吸能量E= P m Xd l =3.212J。本案例未经周期性折叠处理的蜂窝结构结构强度为P m =14.71N，极限位移d l =53mm，总吸能量E= P m Xd l =0.78J。本方法折叠后的蜂窝结构结构强度提高了4.6倍，吸能能力提高了4.12倍。
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°，蜂窝结构胞络尺寸为68mmX69mmX48mm。建立坐标系1，以蜂窝结构异面方向为坐标系Z轴方向，在选取蜂窝顶端所在平面为XY平面，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30°，第一次折叠蜂窝高度为3mm。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30°,折叠高度为3mm。
经折叠后蜂窝结构受共面方向载荷作用下的载荷-位移曲线如图7所示，通过计算可得本案例经周期性折叠处理的蜂窝结构结构强度为P m =183.92N，极限位移d l =48mm，总吸能量E= P m Xd l =8.828J。本案例未经折叠处理的蜂窝结构结构强度为P m =14.71N，极限位移d l =53mm，总吸能量E= P m Xd l =0.78J。本方法折叠后的蜂窝结构结构强度提高了12.5倍，吸能能力提高了11.3倍。
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°，蜂窝结构胞络尺寸为68mmX69mmX48mm。建立坐标系1，以蜂窝结构异面方向为坐标系Z轴方向，在选取蜂窝顶面所在平面为XY平面，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22°，与YZ平面方向夹角为44°，第一次折叠蜂窝高度为3mm。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22°，与YZ平面方向夹角为44°，折叠高度为3mm。
经折叠后蜂窝结构受共面方向载荷作用下的载荷-位移曲线如图8所示，通过计算可得本案例经周期性折叠处理的蜂窝结构结构强度为P m =281.95N，极限位移d l =45.7mm，总吸能量E= P m Xd l =12.885J。本案例未经周期性折叠处理的蜂窝结构结构强度为P m =14.71N，极限位移d l =53mm，总吸能量E= P m Xd l =0.78J。本方法折叠后的蜂窝结构结构强度提高了19倍，吸能能力提高了16.5倍。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (5)
1.一种提高结构强度的蜂窝结构，其特征在于，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，在与Z轴垂直的任意平面内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，蜂窝胞元沿蜂窝胞元结构Z轴方向进行周期性折叠，每周期折叠两次作为一个折叠单元，第一次折叠时折叠方向任意，第二次折叠方向与第一次折叠方向相反，每个折叠周期高度取蜂窝胞元X-Y截面最长边值，将每个折叠单元沿Z轴方向连接，连接后结构沿X-Y平面方向进行阵列式分布，组成周期性折叠蜂窝结构。
2.如权利要求1所述的一种提高结构强度的蜂窝结构，其特征在于：每次折叠后蜂窝胞元表面与折叠前蜂窝胞元表面夹角范围为10°～34°。
3.如权利要求1所述的一种提高结构强度的蜂窝结构，其特征在于：蜂窝胞元结构为相同或者不同胞元结构。
4.如权利要求1所述的一种提高结构强度的蜂窝结构，其特征在于：对于正六边形相同蜂窝胞元多面体、正三边形相同蜂窝胞元多面体和正四边形相同蜂窝胞元多面体，每个折叠周期高度均取蜂窝胞元X-Y截面最长边值。
5.一种提高结构强度的蜂窝结构设计方法，蜂窝结构由中空蜂窝胞元多面体结构组成，蜂窝胞元沿蜂窝胞元结构Z轴方向进行周期性折叠，每周期折叠两次，其特征在于，具体步骤为：
（1）建立坐标系：以蜂窝胞元中空方向为坐标系Z轴方向，在与Z轴垂直且为每个折叠周期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；
（2）折叠蜂窝设计：第一次折叠首先选取高度为蜂窝X-Y平面方向各蜂窝胞元中最长边长度一半的蜂窝胞元进行折叠，折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为10°～26°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为30°～44°；
（3）第二次折叠选择与第一次折叠同样高度蜂窝胞元进行折叠，折叠方向与第一次方向相反，折叠后蜂窝胞元表面与X-Z平面方向夹角范围为10°～26°，折叠后蜂窝胞元表面与Y-Z平面方向夹角范围为30°～44°；
（4）重复步骤（2）、步骤（3）N次，将N次折叠后的蜂窝胞元沿Z轴方向连接，并将连接好的胞元组合在X-Y平面内阵列。
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