CN110873141A - 一种折纸变形吸能结构的实现方法及结构 - Google Patents

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徐祥南
杨艺
李鹏
阎涛
陈志民
黄琬
吴毓
吴志颖
李浪怡
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    • F16F7/12—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members
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Abstract

本发明涉及结构制造及计算机图像处理技术领域，公开了一种折纸变形吸能结构的实现方法及结构，该实现方法包括以下步骤：S1、在一个三维坐标系X‑Y的平面中构建第一等边六边形，其逆时针方向上六个点依次为A、B、C、D、E、F；S2、将等边六边形进行Z向平移得到第二等边六边形，并确定其与点A、B、C、D、E、F相对应的六个点a、b、c、d、e、f，平移距离为h；S3、以第二等边六边形的中心为轴心将其沿逆时针方向进行水平旋转φ角度；S4、将点A、B、C、D、E、F和点a、b、c、d、e、f一一对应进行直线连接，并将B、C、D、E、F、A与点a、b、c、d、e、f一一对应进行直线连接。本发明的折纸结构具有良好的吸能特性。

Description

一种折纸变形吸能结构的实现方法及结构
技术领域
本发明涉及结构制造及计算机图像处理技术领域，特别是涉及一种折纸变形吸能结构的实现方法及结构。
背景技术
吸能结构现有种类繁多，众多的研究者研发出不少的列车端部使用的吸能结构。如利用金属薄壁结构压缩变形的能量吸收装置、利用刀具刨削金属材料的能量吸收装置、利用液压的能量吸收装置，利用脆性金属破碎的能量吸收装置等。它们很多也同时被利用到了汽车、船舶、飞机等行业中。
众多的能量吸收结构中，金属薄壁结构在承受冲击载荷时可通过塑性变形，断裂等破损形式来耗散大量冲击动能，且成本低、比吸能效率高，是一种十分有效的能量吸收装置。圆管是传统的金属薄壁吸能结构，也是最有效，应用最广泛的吸能结构之一。
但是现有的以管状、蜂窝铝等为首的吸能结构有着两大缺点：
(1)撞击力初始峰值过高，会导致乘员发生“二次碰撞”，致使乘员与车辆客室内部结构如车辆座椅、桌面、侧墙、地板、车顶以及乘员之间发生撞击或乘员被抛出车外而造成伤亡；
(2)吸能量不足，碰撞中的巨大动能若不能尽量吸收充分，残余的动能将会使金属车体发生大的塑性变形，使车体结构遭受破坏令乘员失去生存空间从而引发乘员的伤亡。
发明内容
本发明的目的是提供一种折纸变形吸能结构的实现方法及结构，实现方法简单快捷，而且结构不仅能压缩吸能，还能扭转吸能，适应碰撞的复杂情况。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种折纸变形吸能结构的实现方法，包括以下步骤：
S1、在一个三维坐标系X-Y的平面中构建第一等边六边形，其逆时针方向上六个点依次为A、B、C、D、E、F；
S2、将等边六边形进行Z向平移得到第二等边六边形，并确定其与点A、B、C、D、E、F相对应的六个点a、b、c、d、e、f，平移距离为h；
S3、以第二等边六边形的中心为轴心将其沿逆时针方向进行水平旋转φ角度；
S4、将点A、B、C、D、E、F和点a、b、c、d、e、f一一对应进行直线连接，并将点B、C、D、E、F、A与点a、b、c、d、e、f一一对应进行直线连接；每三个首尾相连的连接线段构成一个三角形平面；
S5、第一等边六边形构成一个平面，并与所有三角形平面构成三维折纸结构。
作为优选方案，所述φ不大于30°。
作为优选方案，所述三角形平面ABa中的角B为53°。
作为优选方案，所述第一等边六边形的边长为L，各个点到其中心点的距离为r，三角形平面ABa满足以下公式：
①
Figure BDA0002264811800000021
②
Figure BDA0002264811800000022
③
Figure BDA0002264811800000023
作为优选方案，所述第二等边六边形构成一个平面。
为了解决上述技术问题，本发明还提供一种折纸变形吸能结构，包括根据上述所述的折纸变形吸能结构的实现方法实现的折纸变形吸能结构。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的折纸变形吸能结构比传统结构在压缩吸能更加稳定，在突变的载荷情况下，不会产生失稳现象，比传统结构相比更加安全可靠。
(2)本发明的折纸变形吸能结构与传统结构在压缩吸能过程相比，此结构不仅能压缩吸能，还能扭转吸能，更适合碰撞的复杂情况；压缩吸能过程相比，在碰撞过程中横截面积突变更加小，不会积攒其他空间，占据的空间更小。
(3)本发明的折纸变形吸能结构在轴向载荷期间扭转变形，压缩塑性变形吸收能量，由于扭转变形导致较长的坍塌时间，因此反作用力较小，在可变形板中的平面内变形，平面内拉伸吸收能量。
附图说明
图1是本发明实施例提供的折纸变形吸能结构的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的折纸变形吸能结构的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1和图2，本发明优选实施例中一种折纸变形吸能结构的实现方法，包括以下步骤：
S1、在一个三维坐标系X-Y的平面中构建第一等边六边形，其逆时针方向上六个点依次为A、B、C、D、E、F；
S2、将等边六边形进行Z向平移得到第二等边六边形，并确定其与点A、B、C、D、E、F相对应的六个点a、b、c、d、e、f，平移距离为h；
S3、以第二等边六边形的中心为轴心将其沿逆时针方向进行水平旋转φ角度；
S4、将点A、B、C、D、E、F和点a、b、c、d、e、f一一对应进行直线连接，并将点B、C、D、E、F、A与点a、b、c、d、e、f一一对应进行直线连接；每三个首尾相连的连接线段构成一个三角形平面；
S5、第一等边六边形构成一个平面，并与所有三角形平面构成三维折纸结构。
在本发明优选实施例中，所述φ不大于30°。
在本发明优选实施例中，所述三角形平面ABa中的角B为53°。
在本发明优选实施例中，所述第一等边六边形的边长为L，各个点到其中心点的距离为r，三角形平面ABa满足以下公式：
①
Figure BDA0002264811800000041
②
Figure BDA0002264811800000042
③
Figure BDA0002264811800000043
在本发明优选实施例中，所述第二等边六边形构成一个平面。
本发明优选实施例还提供一种折纸变形吸能结构，包括根据上述所述的折纸变形吸能结构的实现方法实现的折纸变形吸能结构。
具体的，本发明优选实施例的折纸变形吸能结构在的第一等边六边形面承受冲击力，对折纸变形吸能结构进行压缩，实现吸能效果，并且扭转，将冲击力分散到各个方向，实现扭转吸能，与传统结构在压缩吸能过程相比，此结构不仅能压缩吸能，还能扭转吸能，更适合碰撞的复杂情况；压缩吸能过程相比，在碰撞过程中横截面积突变更加小，不会积攒其他空间，占据的空间更小，并且在压缩吸能更加稳定，在突变的载荷情况下，不会产生失稳现象，比传统结构相比更加安全可靠。此外，折纸变形吸能结构在轴向载荷期间扭转变形，压缩塑性变形吸收能量，由于扭转变形导致较长的坍塌时间，因此反作用力较小，在可变形板中的平面内变形，平面内拉伸吸收能量。
此外，本发明优选实施例的平面状态的三个参数，例如三角形平面ABa中的角A，即α，角B，即β，长度a，满足：
LAB＝a、
Figure BDA0002264811800000051
同样，本发明优选实施例的结构在塌陷过程中，有许多折叠状态，不同的高度h，扭转角φ和半径r，这显然不能由三个常数a，α，和β确定。因此引入变量εAB,εBC,和εAC，将这三个变量(h，φ和r)与三个常数(a，α，和β)联系起来，例如
Figure BDA0002264811800000052
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种折纸变形吸能结构的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在一个三维坐标系X-Y的平面中构建第一等边六边形，其逆时针方向上六个点依次为A、B、C、D、E、F；
S2、将等边六边形进行Z向平移得到第二等边六边形，并确定其与点A、B、C、D、E、F相对应的六个点a、b、c、d、e、f，平移距离为h；
S3、以第二等边六边形的中心为轴心将其沿逆时针方向进行水平旋转φ角度；
S4、将点A、B、C、D、E、F和点a、b、c、d、e、f一一对应进行直线连接，并将点B、C、D、E、F、A与点a、b、c、d、e、f一一对应进行直线连接；每三个首尾相连的连接线段构成一个三角形平面；
S5、第一等边六边形构成一个平面，并与所有三角形平面构成三维折纸结构。
2.如权利要求1所述的折纸变形吸能结构的实现方法，其特征在于:所述三角形平面ABa中的角B为53°。
3.如权利要求1所述的折纸变形吸能结构的实现方法，其特征在于:所述φ不大于30°。
4.如权利要求1所述的折纸变形吸能结构的实现方法，其特征在于:所述第一等边六边形的边长为L，各个点到其中心点的距离为r，三角形平面ABa满足以下公式：
①
Figure FDA0002264811790000011
②
Figure FDA0002264811790000012
③
Figure FDA0002264811790000013
5.如权利要求1所述的折纸变形吸能结构的实现方法，其特征在于:所述第二等边六边形构成一个平面。
6.一种折纸变形吸能结构，其特征在于:包括根据如权利要求1-5任一所述的折纸变形吸能结构的实现方法实现的折纸变形吸能结构。
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