CN109707985A - 吸能结构 - Google Patents

Abstract

本申请涉及能量吸收技术领域，具体而言，涉及一种吸能结构。此吸能结构包括壳体及复合填芯，所述壳体具有空腔；复合填芯填充在所述空腔内并与所述壳体连接，且所述复合填芯包括多个相连接的单胞结构，所述多个单胞结构中至少两个的泊松比不同。本申请中，将具有不同泊松比的单胞结构组合形成复合填芯，再将复合填芯填充到壳体的空腔中，这样吸能结构在承受冲击或压缩载荷时，除了存在复合填芯与壳体之间的变形耦合，还存在不同泊松比的单胞结构之间的变形耦合，也就是说，此时吸能结构会出现双重耦合作用，在双重耦合作用下，丰富了吸能结构的力学行为，从而使得吸能结构的变形模式复杂多样，继而能够提高吸能结构的能量吸收性能。

Description

吸能结构

技术领域

本申请涉及能量吸收技术领域，具体而言，涉及一种吸能结构。

背景技术

能量吸收材料广泛应用于航空航天、汽车、船舶等工业领域以及日常生活中，以保护人体、关键部件或精密器件的安全和完好。高安全要求促使科学家和工程师们研发高效的吸能结构，通过缓冲吸能结构的屈曲、折叠、塑性变形甚至断裂等力学行为来减缓碰撞时的冲击载荷。

相关技术中，吸能结构中复合填芯的材料单一，在整体受到冲击或压缩载荷时，吸能结构的变形模式也较为简单，导致缓冲吸能效果较差。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本申请的目的在于提供一种吸能结构，能够提高能量吸收性能。

本申请的吸能结构，其包括：

壳体，所述壳体具有空腔；

复合填芯，填充在所述空腔内并与所述壳体连接，且所述复合填芯包括多个相连接的单胞结构，所述多个单胞结构中至少两个的泊松比不同。

在本申请的一种示例性实施例中，

所述单胞结构为由直杆或曲杆连接而成的点阵结构；或

所述单胞结构为由平面或曲面拼接而成的结构。

在本申请的一种示例性实施例中，所述多个单胞结构被划分为正泊松比单胞结构和负泊松比单胞结构，所述正泊松比单胞结构与所述负泊松比单胞结构均设置有多个，各所述正泊松比单胞结构和所述负泊松比单胞结构按照预设规则排列。

在本申请的一种示例性实施例中，所述复合填芯包括多组在第一方向上间隔排布的第一类型层及位于相邻所述第一类型层之间的第二类型层，

所述第一类型层包括多个相连接的所述正泊松比单胞结构，所述第二类型层包括多个相连接的所述负泊松比单胞结构，且相邻所述第一类型层中一者的正泊松比单胞结构与另一者的正泊松比单胞结构之间通过所述负泊松比单胞结构连接；

所述第一类型层包括多个在第二方向上依次排布的第一单元，各所述第一单元包括多个在第三方向上依次连接的所述正泊松比单胞结构，相邻所述第一单元中一者的正泊松比单胞结构与另一者的正泊松比单胞结构一一对应连接；

所述第二类型层包括多个在第二方向上依次排布的第二单元，各所述第二单元包括多个在第三方向上依次连接的所述负泊松比单胞结构，相邻所述第二单元中一者的负泊松比单胞结构与另一者的负泊松比单胞结构一一对应连接；

其中，所述第一方向同时垂直于所述第二方向和所述第三方向，且所述第二方向与所述第三方向相互垂直。

在本申请的一种示例性实施例中，所述复合填芯包括多组在第一方向上依次排布的第三类型层，所述第三类型层包括多个同心且径向尺寸依次增加的结构圈，相邻所述结构圈中的一者包括多个依次首尾相连的所述正泊松比单胞结构，另一者包括多个依次首尾相连的所述负泊松比单胞结构，各所述负泊松比单胞结构与同层相邻的所述正泊松比单胞结构连接，且相邻所述第三类型层中一者的单胞结构与另一者的单胞结构一一对应连接，

其中，所述径向尺寸为与所述第一方向相垂直的方向上的尺寸。

在本申请的一种示例性实施例中，所述复合填芯包括多组在第一方向上依次排布的第四类型层，所述第四类型层包括多个在第二方向上间隔排布的第三单元及位于相邻所述第三单元之间的第四单元，

所述第三单元和所述第四单元均包括多个在第三方向上间隔排布的所述正泊松比单胞结构及位于相邻所述正泊松比单胞结构之间的负泊松比单胞结构，且所述负泊松比单胞结构的两端分别与相邻所述正泊松比单胞结构之间连接，

所述第四单元中的所述负泊松比单胞结构与所述第三单元中的所述正泊松比单胞结构在所述第二方向上相对设置并相连接，所述第四单元中的所述正泊松比单胞结构与所述第三单元中的所述负泊松比单胞结构在所述第二方向上相对设置并相连接，

其中，所述第一方向、所述第二方向及所述第三方向两两相互垂直。

在本申请的一种示例性实施例中，所述壳体为非封闭壳体。

在本申请的一种示例性实施例中，所述非封闭壳体为方形管、圆形管、半球壳、帽型管或由其他任何平面或曲面围成的开放式壳体。

在本申请的一种示例性实施例中，所述壳体为封闭壳体。

在本申请的一种示例性实施例中，所述封闭壳体为球形壳体、立方形壳体或由其他任何平面或者曲面围成的封闭式壳体。

本申请提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本申请所提供的吸能结构，将具有不同泊松比的单胞结构组合形成复合填芯，再将复合填芯填充到壳体的空腔中，这样吸能结构在承受冲击或压缩载荷时，除了存在复合填芯与壳体之间的变形耦合，还存在不同泊松比的单胞结构之间的变形耦合，也就是说，此时吸能结构会出现双重耦合作用，在双重耦合作用下，丰富了吸能结构的力学行为，从而使得吸能结构的变形模式复杂多样，继而能够提高吸能结构的能量吸收性能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请第一实施例所述的吸能结构的平面示意图；

图2为图1中所示的吸能结构在A-A方向上的剖视图；

图3为本申请第二实施例所述的吸能结构的平面示意图；

图4为图3中所示的吸能结构在B-B方向上的剖视图；

图5为本申请第三实施例所述的吸能结构的平面示意图；

图6为本申请一实施例所述的正泊松比单胞结构的立体示意图；

图7为本申请一实施例所述的负泊松比单胞结构的立体示意图；

图8为本申请另一实施例所述的正泊松比单胞结构的立体示意图；

图9为本申请另一实施例所述的负泊松比单胞结构的立体示意图；

图10为本申请一实施例所述的吸能结构在受压过程中的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本申请将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”和“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

能量吸收材料广泛应用于航空航天、汽车、船舶等工业领域以及日常生活中，以保护人体、关键部件或精密器件的安全和完好。高安全要求促使科学家和工程师们研发高效的吸能结构，通过缓冲吸能结构的屈曲、折叠、塑性变形甚至断裂等力学行为来减缓碰撞时的冲击载荷。

相关技术中，吸能结构中填芯的材料单一，在整体受到冲击或压缩载荷时，吸能结构的变形模式也较为简单，导致缓冲吸能效果较差。

为解决上述技术问题，如图1至图10，本申请实施例提供了一种吸能结构，其可包括壳体1和复合填芯，该壳体1具有空腔，而复合填芯填充在空腔内并与壳体1连接。其中，该复合填芯可与壳体无缝连接。且复合填芯可包括多个相连接的单胞结构，多个单胞结构中至少两个的泊松比不同。

本实施例中，将具有不同泊松比的单胞结构组合形成复合填芯，再将复合填芯填充到壳体1的空腔中，这样在吸能结构受到冲击或压缩载荷时，复合填芯与壳体1之间会发生变形耦合，此外，由于不同泊松比的单胞结构变形能力不同，且各单胞结构彼此连接，他们之间的变形会互相约束，因此，复合填芯中不同泊松比的单胞结构之间会发生变形耦合，也就是说，在吸能结构受到冲击或压缩载荷时，吸能结构会出现双重耦合作用，在双重耦合的作用下和自身结构的屈曲、折叠、塑性变形等力学行为下可将原本受到的冲击和压载带来的能量转化为大量的应变能，即：提升了吸能结构的应变能的转化率，从而丰富了吸能结构的力学行为，提高了吸能结构的缓冲吸能能力。

举例而言，该壳体1可为非封闭壳体，例如：方形管和圆形管，但不以此为限，还可为半球壳、帽型管或由任何平面或曲面围成的开放式壳体。此壳体1还可为封闭壳体，此封闭壳体可为球形壳体、立方形壳体或由其他任何平面或者曲面围成的封闭式壳体。

由于正泊松比单胞结构2在受压载时趋向于向外扩张变形，负泊松比单胞结构3在受压载时趋向于向内收缩变形，因此，为了增加复合填芯中各单胞之间的耦合作用，可将复合填芯中的多个单胞结构划分为正泊松比单胞结构2和负泊松比单胞结构3这两种类型。

需要说明的是，多个单胞结构也可全部为正泊松比单胞结构2，多个正泊松比单胞结构2中存在泊松比不同的正泊松比单胞结构2；或多个单胞结构可全部为负泊松比单胞结构3，多个负泊松比单胞结构3中存在泊松比不同的负泊松比单胞结构3，视具体情况而定。

其中，正泊松比单胞结构2与负泊松比单胞结构3均设置有多个，以在吸能结构受到冲击和压载时，不同泊松比的多个单胞结构之间的变形会互相约束，从而增加复合填芯中各单胞之间的耦合作用，提升了吸能结构的应变能的转化率，继而丰富了吸能结构的力学行为，提高了吸能结构的缓冲吸能能力。

举例而言，各正泊松比单胞结构2的泊松比可相同，各负泊松比单胞结构3的泊松比可相同，这样在保证复合填芯中单胞结构之间能够发生变形耦合作用，以提高吸能结构的缓冲吸收能力的同时，还可降低复合填芯的制作难度及制作成本。

需要说明的是，各正泊松比单胞结构2的泊松比也可不同，负泊松比单胞结构3的泊松比也可不相同，视具体情况而定。

此外，复合填芯可由各单胞结构按照一定规律组合而成，以适应不同的环境，保证吸能结构能够在任何环境中都具有较高的缓冲吸收能力；但不限于此，复合填芯中各单胞结构也可杂乱组合。

举例而言，各正泊松比单胞结构和负泊松比单胞结构可按照预设规则排列

下面结合附图针对各正泊松比单胞结构和负泊松比单胞结构按照预设规则排列进行具体阐述。

在第一实施例中，如图1和图2所示，复合填芯可由正泊松比单胞结构2和负泊松比单胞结构3可在空间上层层相间排列形成，换言之，复合填芯可包括多组在第一方向(如图2中所示的Z方向)上间隔排布的第一类型层及位于相邻第一类型层之间的第二类型层，其中，第一类型层可包括多个相连接的正泊松比单胞结构2，第二类型层可包括多个相连接的负泊松比单胞结构3，且相邻第一类型层中一者的正泊松比单胞结构2与另一者的正泊松比单胞结构2之间通过负泊松比单胞结构3连接。

可选地，第一类型层可包括多个在第二方向(如图1中所示的X方向)上依次排布的第一单元，各第一单元可包括多个在第三方向(如图1中所示的Y方向)上依次连接的正泊松比单胞结构2，相邻第一单元中一者的正泊松比单胞结构2与另一者的正泊松比单胞结构2一一对应连接，此处所提到的对应指的是相邻第一单元中一者的正泊松比单胞结构2与另一者的正泊松比单胞结构2在第二方向上相对；而第二类型层可包括多个在第二方向上依次排布的第二单元，各第二单元可包括多个在第三方向上依次连接的负泊松比单胞结构3，相邻第二单元中一者的负泊松比单胞结构3与另一者的负泊松比单胞结构3一一对应连接；此处所提到的对应指的是相邻第二单元中一者的负泊松比单胞结构3与另一者的负泊松比单胞结构3在第二方向上相对。

需要说明的是，在第一实施例中提到的第一方向同时垂直于第二方向和第三方向。

进一步地，前述提到的第二方向与第三方向相互垂直，也就是说，第一类型层中的正泊松比单胞结构2与第二类型层中的负泊松比单胞结构3均可呈阵列排布。

在第二实施例中，如图3和图4所示，复合填芯中正泊松比单胞结构2和负泊松比单胞结构3在同一层内进行径向辐射式间隔排列，换言之，复合填芯可包括多组在第一方向(如图4中所示的Z方向)上依次排布的第三类型层，此第三类型层包括多个同心且径向(如图3中所示的X方向或Y方向)尺寸依次增加的结构圈，相邻结构圈中的一者包括多个依次首尾相连的正泊松比单胞结构2，另一者包括多个依次首尾相连的负泊松比单胞结构3，其中，负泊松比单胞结构3与同层相邻的正泊松比单胞结构2连接，且相邻第三类型层中一者的单胞结构与另一者的单胞结构一一对应连接，此处所提到的对应指的是相邻第三类型层中一者的单胞结构与另一者的单胞结构在第一方向上相对。此外，该实施例中提到的径向尺寸为与第一方向相垂直的方向上的尺寸。

需要说明的是，第三类型层的最内圈可由一个单胞结构形成，如图3所示，但不限于此，也可由多个单胞结构依次首尾相连形成结构圈。

在第三实施例中，如图5所示，复合填芯中正泊松比单胞结构2和负泊松比单胞结构3在同一层呈交错排列，换言之，复合填芯可包括多组在第一方向上依次排布的第四类型层，该第四类型层可包括多个在第二方向(如图5中所示的Y方向)上间隔排布的第三单元及位于相邻第三单元之间的第四单元，第三单元和第四单元均可包括多个在第三方向(如图5中所示的X方向)上间隔排布的正泊松比单胞结构2及位于相邻正泊松比单胞结构2之间的负泊松比单胞结构3，且负泊松比单胞结构3的两端分别与相邻正泊松比单胞结构2之间连接。其中，第四单元中的负泊松比单胞结构3与第三单元中的正泊松比单胞结构2在第二方向上相对设置并相连接，第四单元中的正泊松比单胞结构2与第三单元中的负泊松比单胞结构3在第二方向上相对设置并相连接。

需要说明的是，在第三实施例中提到的第一方向、第二方向及第三方向两两相互垂直。

其中，图6、图7分别示出了前述三个实施例中正泊松比单胞结构2和负泊松比单胞结构3的立体示意图。此图6和图7中示例出的两种单胞结构均由立方点阵单胞变形而来。具体地，与立方体的顶点连接的杆向外凸出形成正泊松比点阵单胞，内凹陷则形成负泊松比单胞结构3，外凸或内凹的程度由图7中的角度θ决定，通过调节角度θ可形成一系列具有不同泊松比的单胞结构。

而图8和图9分别示出了另一种正泊松比单胞结构2和负泊松比单胞结构3的立体示意图。此图8和图9中示例出的两种单胞结构均由十四面体单胞结构变形而来，类似地，通过改变连接上下前后左右六个四边形的连杆为内凹或者外凸，外凸或内凹的程度由图9中的角度θ决定，可得到一系列具有不同泊松比的单胞结构。

需要说明的是，本发明提到的单胞结构不限于图6至图9示例的四种结构形式，可以是任何由直杆或曲杆连接而成的点阵结构，也可以是任何由平面或曲面拼接而成的结构，例如：闭孔十四面体单胞结构等，该复合填芯可选择具有不同泊松比的单胞结构按一定规律连接。

图10示例性地解释了本申请的吸能结构受到冲击或压缩载荷时会发生的双重耦合机制，分别为不同泊松比的单胞结构之间的变形耦合和复合填芯与壳体1之间的耦合，下面进行分别阐述：

图10示意出了在吸能结构受压载时，不同泊松比的单胞结构相互作用发生变形耦合示意图，在受压载(此压载力为图10中所示的F)时，正泊松比单胞结构2趋向于向外扩张变形，负泊松比单胞结构3趋向于向内收缩变形，但由于各单胞彼此连接，所以它们之间的变形会互相约束，产生耦合作用；

且图10还示意出了复合填芯与中空壳体1之间发生变形耦合作用的示意图。展示了一种由正泊松比单胞结构2和负泊松比单胞结构3在空间上层层相间排布形成的复合填芯。在受到压载时，正泊松比单胞结构2向外扩张变形，负泊松比单胞结构3向内收缩变形，因为复合填芯与壳体1无缝连接，两者之间的变形也相互约束，即为另一重变形耦合作用。在该示例中，由于层层相间排布的两种单胞结构在受到压载时形变方向并不相同，复合填芯与壳体1之间的变形耦合作用会引起中空壳体1的褶皱状变形，如图10所示。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种吸能结构，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体具有空腔；

复合填芯，填充在所述空腔内并与所述壳体连接，且所述复合填芯包括多个相连接的单胞结构，所述多个单胞结构中至少两个的泊松比不同。

2.根据权利要求1所述的吸能结构，其特征在于，

所述单胞结构为由直杆或曲杆连接而成的点阵结构；或

所述单胞结构为由平面或曲面拼接而成的结构。

3.根据权利要求1所述的吸能结构，其特征在于，所述多个单胞结构被划分为正泊松比单胞结构和负泊松比单胞结构，所述正泊松比单胞结构与所述负泊松比单胞结构均设置有多个，各所述正泊松比单胞结构和所述负泊松比单胞结构按照预设规则排列。

4.根据权利要求3所述的吸能结构，其特征在于，所述复合填芯包括多组在第一方向上间隔排布的第一类型层及位于相邻所述第一类型层之间的第二类型层，

所述第一类型层包括多个相连接的所述正泊松比单胞结构，所述第二类型层包括多个相连接的所述负泊松比单胞结构，且相邻所述第一类型层中一者的正泊松比单胞结构与另一者的正泊松比单胞结构之间通过所述负泊松比单胞结构连接；

所述第一类型层包括多个在第二方向上依次排布的第一单元，各所述第一单元包括多个在第三方向上依次连接的所述正泊松比单胞结构，相邻所述第一单元中一者的正泊松比单胞结构与另一者的正泊松比单胞结构一一对应连接；

所述第二类型层包括多个在第二方向上依次排布的第二单元，各所述第二单元包括多个在第三方向上依次连接的所述负泊松比单胞结构，相邻所述第二单元中一者的负泊松比单胞结构与另一者的负泊松比单胞结构一一对应连接；

其中，所述第一方向同时垂直于所述第二方向和所述第三方向，且所述第二方向与所述第三方向相互垂直。

5.根据权利要求3所述的吸能结构，其特征在于，所述复合填芯包括多组在第一方向上依次排布的第三类型层，所述第三类型层包括多个同心且径向尺寸依次增加的结构圈，相邻所述结构圈中的一者包括多个依次首尾相连的所述正泊松比单胞结构，另一者包括多个依次首尾相连的所述负泊松比单胞结构，各所述负泊松比单胞结构与同层相邻的所述正泊松比单胞结构连接，且相邻所述第三类型层中一者的单胞结构与另一者的单胞结构一一对应连接，

其中，所述径向尺寸为与所述第一方向相垂直的方向上的尺寸。

6.根据权利要求3所述的吸能结构，其特征在于，所述复合填芯包括多组在第一方向上依次排布的第四类型层，所述第四类型层包括多个在第二方向上间隔排布的第三单元及位于相邻所述第三单元之间的第四单元，

所述第三单元和所述第四单元均包括多个在第三方向上间隔排布的所述正泊松比单胞结构及位于相邻所述正泊松比单胞结构之间的负泊松比单胞结构，且所述负泊松比单胞结构的两端分别与相邻所述正泊松比单胞结构之间连接，

所述第四单元中的所述负泊松比单胞结构与所述第三单元中的所述正泊松比单胞结构在所述第二方向上相对设置并相连接，所述第四单元中的所述正泊松比单胞结构与所述第三单元中的所述负泊松比单胞结构在所述第二方向上相对设置并相连接，

其中，所述第一方向、所述第二方向及所述第三方向两两相互垂直。

7.根据权利要求1所述的吸能结构，其特征在于，所述壳体为非封闭壳体。

8.根据权利要求7所述的吸能结构，其特征在于，所述非封闭壳体为方形管、圆形管、半球壳、帽型管或由其他任何平面或曲面围成的开放式壳体。

9.根据权利要求1所述的吸能结构，其特征在于，所述壳体为封闭壳体。

10.根据权利要求9所述的吸能结构，其特征在于，所述封闭壳体为球形壳体、立方形壳体或由其他任何平面或者曲面围成的封闭式壳体。