CN108895105A - 一种基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构，属于冲击防护结构技术领域。该结构由锁能超材料单胞单元按照串并联或镜像规律排列形成；锁能超材料单胞单元是由凸形体、两根弹性斜梁和凹形体连接而成的左右对称结构，凸形体和凹形体通过两根弹性斜梁连接在一起，弹性斜梁未变形时为斜直状态，弹性斜梁一端与凸形体凸出部分的外侧顶点相连接，另一端与凹形体凸出部分的内侧顶点相连接。本发明能够将冲击能量转化为锁能超材料结构内部的弹性应变能，并锁住在锁能超材料的内部，从而抑制冲击能量的传播。

Description

一种基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构
技术领域
本发明涉及一种冲击隔离结构，具体涉及一种基于锁能超材料的高过载冲击隔离结构，属于冲击防护结构技术领域。
背景技术
冲击普遍存在于自然界中。日常生活中的物体跌落、车辆碰撞、飞机着陆、坦克装甲车辆触发地雷、舰船受到兵器打击等都伴随着冲击的产生。冲击在系统中将很快消失，但是它所引起的冲击响应(如过大的绝对加速度)，可能会使人员和设备等受到严重损害。当设备受到冲击后，所产生的冲击响应超过了设备本身的结构强度所允许的响应时，将导致设备结构变形、安装松动、产生裂纹甚至断裂，同时还会使电气连接松动，接触不良，造成时断时通，使设备无法正常工作。而当冲击响应过载超过人员的忍受极限时，将直接威胁人员的生命安全。因此，必须采取有效地冲击隔离措施，使人员和设备所承受的冲击载荷限制在一个许可的范围内，从而实现对人员和设备的保护。
对于传统的冲击隔离器，其实质是通过在基础和人员、设备之间加入弹性元件，将瞬态、强烈的冲击能量先以位移能的形式最大限度的储存在其中，然后按隔离系统本身的特性缓慢的将能量释放出来。这种冲击隔离措施是从刚度上进行设计，冲击能量被储存后并不能被锁住而是会被释放出来，势必会引起系统的振动，因此这种冲击隔离器还必须满足隔振的功能要求。对于冲击隔离器，其要求隔离系统的刚度较大，以保证能够吸收较大的冲击能量；但对于振动隔离器，其要求隔离系统的刚度较小，以追求良好的隔振效果。根据文献《冲击隔离发展浅谈》(2002)、《振动隔离与冲击隔离的区别》(1996)可知，理想的冲击隔离器并不能隔离振动，而理想的振动隔离器也不能隔离冲击。因此，传统的冲击隔离器为兼顾隔冲和隔振的双重功能，往往只是针对特定条件下的冲击来设计弹性元件的非线性刚度特性，是一种折衷的设计结果，难以适应冲击条件不确定的大范围高过载的冲击隔离环境。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于锁能超材料的高过载冲击隔离结构，能够将冲击能量转化为锁能超材料结构内部的弹性应变能，并锁住在锁能超材料的内部，从而抑制冲击能量的传播。
一种基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构，该结构由锁能超材料单胞单元按照串并联或镜像规律排列形成；锁能超材料单胞单元是由凸形体、两根弹性斜梁和凹形体连接而成的左右对称结构，凸形体和凹形体通过两根弹性斜梁连接在一起，弹性斜梁未变形时为斜直状态，弹性斜梁一端与凸形体凸出部分的外侧顶点相连接，另一端与凹形体凸出部分的内侧顶点相连接。
进一步地，所述能超材料单胞单元横向按照并联规律排列为M个，锁能超材料单胞单元纵向按照串联或镜像或二者组合的规律排列为N个，其中M和N均为不小于1的整数。
进一步地，所述凸形体的凸出部分宽度小于凹形体的凹槽部分宽度；凸形体的凸出部分高度等于或大于凹形体的凹槽部分深度。
进一步地，所述弹性斜梁的厚度t与长度L之比值t/L的取值范围为0.05～0.25，所述弹性斜梁的倾斜角度θ的取值范围为20°～75°。
有益效果：
1、本发明能够实现对该冲击隔离结构的定量化设计，其多层分布的结构特点，可以有效阻隔不同大小过载的冲击载荷作用。在锁住绝大部分能量后，还可利用其多层阻尼减振功能，快速消除残余冲击影响。
2、本发明所设计的高过载冲击隔离结构，在屈曲变形锁住冲击能量后，可以在特定的外力作用下使其恢复原貌，能够进行多次重复使用。
3、本发明所设计的锁能超材料单胞单元采用对称的凹、凸结构设计，在吸收冲击能量过程中能够保证结构的整体稳定性。
4、本发明基于超材料设计，理论上任意材料都可以作为锁能超材料的基材，因此选材上更为灵活，同时还可以通过化学的手段对基材进行改性，有针对性的实现特定的性能，如提高材料的强度、耐高温、阻尼增强、阻燃、抗老化等。
附图说明
图1为本发明锁能超材料的工作原理示意图；
图2为图1对应的力-位移特性曲线；
图3为本发明锁能超材料的单胞单元；
图4为图3加载后锁住能量的压实状态；
图5为图3按照横向并联、纵向镜像排列得到的2×2冲击隔离结构；
图6为图3按照横向并联、纵向串联排列得到的2×2冲击隔离结构；
图7为图3按照横向并联、纵向镜像排列得到的另一种2×2冲击隔离结构；
图8为图7对应的力-位移曲线静力学仿真结果图；
图9为图7对应的半正弦脉冲冲击试验实测结果图
图10为按照图7规律排列得到的4×4高过载冲击隔离结构；
图11为图10锁住三层后的变形状态；
图12为按照图7规律排列得到的5×6高过载冲击隔离结构的轴测图。
其中，100-锁能超材料单胞单元、1-凸形体、2-弹性斜梁、3-凹形体。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构，该结构由锁能超材料单胞单元100按照串并联或镜像规律排列形成；参加附图3和4，锁能超材料单胞单元100包括凸形体1、弹性斜梁2和凹形体3；弹性斜梁2在锁能超材料单胞单元100中共有两根，分别位于锁能超材料单胞单元100的两侧并倾斜45°对称布置，弹性斜梁2未变形时为斜直状态，且一端与凸形体1凸出部分的外侧顶点相连接，另一端与凹形体3凸出部分的内侧顶点相连接；凸形体的凸出部分宽度比凹形体的凹槽部分宽度要小些；凸形体的凸出部分高度等于或略大于凹形体的凹槽部分深度。
参见附图1、2，对于θ＝45°、t/L＝0.15的弹性斜梁2，当其下端固定、上端简支时，在一定大小的竖直载荷作用下会发生屈曲变形。由于屈曲变形中会出现加载力为负值的情况，卸载之后弹性斜梁仍然保持后屈曲稳定平衡状态而不再回弹至原位置，只有施加反方向的外力作用才能恢复原貌。因此，能够将储存的能量全部锁住在该结构内部，对应锁住的能量为(Ein-Eout)，且冲击过程中冲击隔离后的最大力不会超过F1，从而起到冲击隔离作用。
参见附图5，锁能超材料单胞单元100按照横向并联、纵向镜像排列得到的2×2冲击隔离结构；
参见附图6，锁能超材料单胞单元100按照横向并联、纵向串联排列得到的2×2冲击隔离结构。
参见附图7，锁能超材料单胞单元100按照横向并联、纵向镜像排列得到的另一种2×2冲击隔离结构。
参见附图8，针对2×2冲击隔离结构，利用有限元进行静力学仿真，得到该结构的力-位移曲线结果，即在加载过程中该2×2冲击隔离结构进行了两次锁能，锁能的次数与该冲击隔离结构的层数相等，且每次锁住的能量大小基本相等。
参见附图9，针对2×2冲击隔离结构，利用跌落式冲击台进行标准半正弦波冲击试验，冲击激励的峰值加速度为178g，脉冲持续时间为2.64ms，经过冲击隔离后，得到的冲击响应的峰值加速度为16.31g。说明基于锁能超材料的冲击隔离结构具有良好的隔冲效果。
参见附图10和11，锁能超材料单胞单元100按照横向并联规律排列4个，纵向按照镜像规律排列4个，得到的一种4×4冲击隔离结构及其锁住三层后变形状态。
参见附图12，锁能超材料单胞单元100按照横向并联规律排列5个，纵向按照镜像规律排列6个，得到的一种5×6冲击隔离结构三维设计结果。
实际应用中，可以根据工程实际需求，对锁能超材料单胞的几何尺寸、单胞排列方式及个数等进行设计。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构，其特征在于，该结构由锁能超材料单胞单元按照串并联或镜像规律排列形成；锁能超材料单胞单元是由凸形体、两根弹性斜梁和凹形体连接而成的左右对称结构，凸形体和凹形体通过两根弹性斜梁连接在一起，弹性斜梁未变形时为斜直状态，弹性斜梁一端与凸形体凸出部分的外侧顶点相连接，另一端与凹形体凸出部分的内侧顶点相连接。
2.如权利要求1所述的基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构，其特征在于，所述能超材料单胞单元横向按照并联规律排列为M个，锁能超材料单胞单元纵向按照串联或镜像或二者组合的规律排列为N个，其中M和N均为不小于1的整数。
3.如权利要求1或2所述的基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构，其特征在于，所述凸形体的凸出部分宽度小于凹形体的凹槽部分宽度；凸形体的凸出部分高度等于或大于凹形体的凹槽部分深度。
4.如权利要求3所述的基于锁能超材料的自适应高过载冲击隔离结构，其特征在于，所述弹性斜梁的厚度t与长度L之比值t/L的取值范围为0.05～0.25，所述弹性斜梁的倾斜角度θ的取值范围为20°～75°。
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