CN111750018A - 反手性结构及吸能缓冲结构、汽车车身 - Google Patents

反手性结构及吸能缓冲结构、汽车车身 Download PDF

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Abstract

本发明公开了反手性结构及吸能缓冲结构、汽车车身，反手性单元具有旋转负泊松比结构，在承载过程中通过韧带将受力传导至节圆上，使得节圆具有旋转的趋势，同时会把韧带卷起，形成压缩截面缩小，拉伸截面增大的负泊松比状态。当韧带变形结束后，节圆与节圆进行挤压，此时进入第二个变形阶段，由于三个反手性单元分别位于三维坐标中三个相互垂直的平面内，且三个节圆均相交连接共形成六个连接点，使得该混合手性结构在受到撞击时三个节圆不容易错位或变形，整体结构稳定，使得其承载能力和能量吸收能力较强。

Description

反手性结构及吸能缓冲结构、汽车车身
技术领域
本发明涉及高性能工程结构，具体涉及反手性结构及吸能缓冲结构、汽车车身。
背景技术
反手性结构的主要特点就是具有旋转负泊松比结构。
如图1所示，同一韧带上的两个节圆位于韧带的同一侧，属于反手性结构，该反手性结构由四个反手性单元依次连接而成，该反手性结构呈环形。
但是，现有的反手性结构，相邻的两个单元之间仅通过两根韧带进行对接，受到外力时极容易错位或变形，结构稳定性较差，导致其承载能力和能量吸收能力较差。
发明内容
本发明提供了反手性结构及吸能缓冲结构、汽车车身，其克服了背景技术所存在的不足。本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
反手性结构，它包括第一反手性单元、第二反手性单元和第三反手性单元，第一反手性单元包括第一节圆和均与第一节圆相切连接的四条第一韧带，第二反手性单元包括第二节圆和均与第二节圆相切连接的四条第二韧带，第三反手性单元包括第三节圆和均与第三节圆相切连接的四条第三韧带，第一反手性单元位于XY平面内，第二反手性单元在XZ平面内且第一节圆与第二节圆相交连接并具有两个连接点，第三反手性单元在YZ平面内且第三节圆与第一节圆、第二节圆均相交连接并具有四个连接点。
一较佳实施例之中：四条第一韧带沿着第一节圆环形间隔布置且相邻两条第一韧带相互垂直，任意一条第一韧带与第一节圆的水平中心线或垂直中心线相平行；四条第二韧带沿着第二节圆环形间隔布置且相邻两条第二韧带相互垂直，任意一条第二韧带与第二节圆的水平中心线或垂直中心线相平行；四条第三韧带沿着第三节圆环形间隔布置且相邻两条第三韧带相互垂直，任意一条第三韧带与第三节圆的水平中心线或垂直中心线相平行。
一较佳实施例之中：所述第一反手性单元、第二反手性单元和第三反手性单元均采用空心管制成。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：吸能缓冲结构，其应用上述任意一项所述的反手性结构，包括上下依次间隔布置的四个隔板，相邻的两个隔板之间连接有若干个呈阵列布置的反手性结构。
一较佳实施例之中：所述四个隔板厚度呈梯度变化。
一较佳实施例之中：同一阵列的反手性结构中，若干个反手性单元的第一节圆直径D1、第二节圆直径D2和第三节圆直径D3均相同，第一韧带长度L1、第二韧带长度L2和第三韧带长度L3均相同，且第一韧带厚度t1、第二韧带厚度t2、第三韧带厚度t3均相同；且反手性单元的第一节圆直径D1、第二节圆直径D2和第三节圆直径D3在三个阵列的反手性结构中均呈梯度变化；或和，三个韧带长度L1、L2、L3在三个阵列的反手性结构中均呈梯度变化；或和，三个韧带厚度t1、t2、t3在三个阵列的反手性结构中均呈梯度变化。
一较佳实施例之中：所述四个隔板均采用泡沫铝材质。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三是：汽车车身，其应用上述任意一项所述的缓冲吸能结构。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1.反手性单元具有旋转负泊松比结构，在承载过程中通过韧带将受力传导至节圆上，使得节圆具有旋转的趋势，同时会把韧带卷起，形成压缩截面缩小，拉伸截面增大的负泊松比状态。当韧带变形结束后，节圆与节圆进行挤压，此时进入第二个变形阶段，由于三个反手性单元分别位于三维坐标中三个相互垂直的平面内，且三个节圆均相交连接共形成六个连接点，使得该混合手性结构在受到撞击时三个节圆不容易错位或变形，整体结构稳定，使得其承载能力和能量吸收能力较强。
2.该反手性结构的三个反手性单元中节圆与韧带的连接状态完全相同，以保证该反手性结构受到外力时三个反手性单元的负泊松比状态相同，其承载能力和能量吸收能力处于叠加的状态而不会相互抵消。
3.第一反手性单元、第二反手性单元和第三反手性单元均采用空心管制成，可减轻混合手性结构的整体重量，实现轻量化。
4.吸能缓冲结构采用上述的反手性结构，可提高吸能性能及缓冲效果，该吸能缓冲结构可应用在汽车、飞机等交通业上，甚至可应用于建筑结构中以提高建筑的抗震效果和消声效果。
5.四个隔板厚度呈梯度变化，具有更好的能量吸收特性，当冲击能量通过不同厚度的隔板时被层层吸收，减少冲击能量，具有更好的缓冲作用。
6.反手性单元的第一节圆直径D1、第二节圆直径D2、第三节圆直径D3在三个阵列的反手性结构中呈梯度变化，可提高缓冲效果，进而提高整体结构的承载能力和能量吸收能力。反手性单元的第一韧带长度L1、第二韧带长度L2、第三韧带长度L3在三个阵列的反手性结构中呈梯度变化；或和，反手性单元的第一韧带厚度t1、第二韧带厚度t2、第三韧带厚度t3在三个阵列的反手性结构中呈梯度变化，可改善该吸能缓冲结构的初始峰值力，有利于提高碰撞时的缓冲效果。
7.四个隔板均采用泡沫铝材质，为轻质材料，具有高比强度和比模量，能提高整体的承载能力。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1绘示了现有技术中的反手性结构的整体示意图。
图2绘示了本发明中的第一反手性单元的整体结构示意图。
图3绘示了本发明中的第一反手性单元与第二反手性单元的连接示意图。
图4绘示了本发明中的反手性结构的整体结构示意图。
图5绘示了本发明中的吸能缓冲结构的立体示意图。
图6绘示了本发明中的吸能缓冲结构的正视示意图。
具体实施方式
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，对于方位词，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本发明的具体保护范围。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“固接”、“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸的固定连接、可拆卸的固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。
本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”、以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。
请查阅图1至图4，反手性结构的一较佳实施例，所述的反手性结构，它包括第一反手性单元10、第二反手性单元20和第三反手性单元30。
第一反手性单元10包括第一节圆11和均与第一节圆11相切连接的四条第一韧带12，第二反手性单元20包括第二节圆21和均与第二节圆21相切连接的四条第二韧带22，第三反手性单元30包括第三节圆31和均与第三节圆31相切连接的四条第三韧带32，第一反手性单元10位于XY平面内，第二反手性单元20在XZ平面内且第一节圆11与第二节圆21相交连接并具有两个连接点，第三反手性单元30在YZ平面内且第三节圆31与第一节圆11、第二节圆21均相交连接并具有四个连接点。
本实施例中，如图2所示，四条第一韧带12沿着第一节圆11环形间隔布置且相邻两条第一韧带12相互垂直，任意一条第一韧带12与第一节圆11的水平中心线或垂直中心线相平行；四条第二韧带22沿着第二节圆21环形间隔布置且相邻两条第二韧带22相互垂直，任意一条第二韧带22与第二节圆21的水平中心线或垂直中心线相平行；四条第三韧带32沿着第三节圆31环形间隔布置且相邻两条第三韧带32相互垂直，任意一条第三韧带32与第三节圆31的水平中心线或垂直中心线相平行。为了便于后续说明，第一节圆11内直径、第二节圆21内直径和第三节圆31内直径分别定义为D1、D2、D3，第一韧带12长度、第二韧带22长度和第三韧带32长度分别定义为L1、L2、L3，第一韧带12厚度、第二韧带22厚度和第三韧带32厚度分别定义为t1、t2、t3。
本实施例中，所述第一反手性单元10、第二反手性单元20和第三反手性单元30均采用空心管制成。且三个反手性单元10、20、30的空心管尺寸均相同，也即，三个节圆11、21、31厚度、直径均相同，三个反手性单元10、20、30的所有韧带12、22、32长度、厚度均相同。如图4所示，该三个反手性单元10、20、30均采用的是空心方管制成，其壁厚为0.1毫米。或者，根据需要，该三个反手性单元10、20、30也可采用空心圆管制成，不以此为限。
反手性单元具有旋转负泊松比结构，在承载过程中通过韧带将受力传导至节圆上，使得节圆具有旋转的趋势，同时会把韧带卷起，形成压缩截面缩小，拉伸截面增大的负泊松比状态。当韧带变形结束后，节圆与节圆进行挤压，此时进入第二个变形阶段，由于三个反手性单元分别位于三维坐标中三个相互垂直的平面内，且三个节圆均相交连接共形成六个连接点，使得该混合手性结构在受到撞击时三个节圆不容易错位或变形，整体结构稳定，使得其承载能力和能量吸收能力较强。
请查阅图5和图6，为吸能缓冲结构的一较佳实施例，其应用上述所述的反手性结构，包括上下依次间隔布置的四个隔板40，相邻的两个隔板40之间连接有若干个呈阵列布置的反手性结构。如图5所示，三个阵列的反手性结构均相同，均采用四行四列的方阵并上下两层堆叠而成。为了使隔板40与反手性结构之间的连接更加牢固和稳定，可采用3D打印技术进行打印制成。
本实施例中，所述四个隔板40厚度T呈梯度变化。如，四个隔板40自上而下的厚度T可以为0.1毫米、0.2毫米、0.3毫米、0.4毫米；或者，四个隔板40自下而上的厚度T可以为0.1毫米、0.2毫米、0.3毫米、0.4毫米，也可采用其他的梯度变化值进行设置，不以此为限。且，所述四个隔板均采用泡沫铝材质。
本实施例中，同一阵列的反手性结构中，若干个反手性单元的第一节圆11直径D1、第二节圆21直径D2和第三节圆31直径D3均相同，第一韧带12长度L1、第二韧带22长度L2和第三韧带32长度L3均相同，且第一韧带12厚度t1、第二韧带22厚度t2、第三韧带32厚度t3均相同。
其中，反手性单元的第一节圆11直径D1、第二节圆21直径D2和第三节圆31直径D3在三个阵列的反手性结构中均呈梯度变化；如三个阵列的反手性结构中，位于最上方阵列的反手性结构的第一节圆11直径D1、第二节圆21直径D2和第三节圆31直径D3均为6毫米，中间阵列的反手性结构中的第一节圆11直径D1、第二节圆21直径D2和第三节圆31直径D3均为7毫米，位于最下方的反手性结构中的第一节圆11直径D1、第二节圆21直径D2和第三节圆31直径D3均为8毫米。或者，也可反向设计，不以此为限。
第一韧带12长度L1、第二韧带22长度L2和第三韧带32长度L3在三个阵列的反手性结构中均呈梯度变化；如，位于最上方阵列的反手性结构的第一韧带12长度L1、第二韧带22长度L2和第三韧带32长度L3均为10毫米，中间阵列的反手性结构的第一韧带12长度L1、第二韧带22长度L2和第三韧带32长度L3均为15毫米，位于最下方阵列的反手性结构的第一韧带12长度L1、第二韧带22长度L2和第三韧带32长度L3均为20毫米。或者，也可反向设计，不以此为限。
第一韧带12厚度t1、第二韧带22厚度t2、第三韧带32厚度t3在三个阵列的反手性结构中均呈梯度变化。如，位于最上方阵列的反手性结构的第一韧带12厚度t1、第二韧带22厚度t2、第三韧带32厚度t3均为1毫米，中间阵列的反手性结构的第一韧带12厚度t1、第二韧带22厚度t2、第三韧带32厚度t3均为1.5毫米，位于最下方阵列的反性结构的第一韧带12厚度t1、第二韧带22厚度t2、第三韧带32厚度t3均为2毫米。或者，也可反向设计，不以此为限。
根据实际需要，在三个阵列的反手性结构中，其中一个参数呈梯度变化，另外两个参数保持相同数值；如：反手性单元的第一节圆11直径D1、第二节圆21直径D2和第三节圆31直径D3在三个阵列的反手性结构中可单独呈梯度变化，而反手性单元的第一韧带12长度L1、第二韧带22长度L2和第三韧带32长度L3在三个阵列的反手性结构中保持相同的数值，反手性单元的第一韧带12厚度t1、第二韧带22厚度t2、第三韧带32厚度t3在三个阵列的反手性结构中保持相同的数值。或者，在三个阵列的反手性结构中，其中两个参数呈梯度变化，另外一个参数保持相同数值；或者，该吸能缓冲结构的所有参数值均可同时进行梯度变化，不以此为限。
汽车车身，其应用上述任意一项所述的缓冲吸能结构。如，汽车的地板、防撞结构等。
该吸能缓冲结构还应用于飞机等其他交通运输业，也可应用于建筑行业，不以此为限。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.反手性结构，其特征在于：它包括第一反手性单元、第二反手性单元和第三反手性单元，第一反手性单元包括第一节圆和均与第一节圆相切连接的四条第一韧带，第二反手性单元包括第二节圆和均与第二节圆相切连接的四条第二韧带，第三反手性单元包括第三节圆和均与第三节圆相切连接的四条第三韧带，第一反手性单元位于XY平面内，第二反手性单元在XZ平面内且第一节圆与第二节圆相交连接并具有两个连接点，第三反手性单元在YZ平面内且第三节圆与第一节圆、第二节圆均相交连接并具有四个连接点。
2.根据权利要求1所述的反手性结构，其特征在于：四条第一韧带沿着第一节圆环形间隔布置且相邻两条第一韧带相互垂直，任意一条第一韧带与第一节圆的水平中心线或垂直中心线相平行；四条第二韧带沿着第二节圆环形间隔布置且相邻两条第二韧带相互垂直，任意一条第二韧带与第二节圆的水平中心线或垂直中心线相平行；四条第三韧带沿着第三节圆环形间隔布置且相邻两条第三韧带相互垂直，任意一条第三韧带与第三节圆的水平中心线或垂直中心线相平行。
3.根据权利要求2所述的反手性结构，其特征在于：所述第一反手性单元、第二反手性单元和第三反手性单元均采用空心管制成。
4.吸能缓冲结构，其应用权利要求1至3中任意一项所述的反手性结构，其特征在于：包括上下依次间隔布置的四个隔板，相邻的两个隔板之间连接有若干个呈阵列布置的反手性结构。
5.根据权利要求4所述的吸能缓冲结构，其特征在于：所述四个隔板厚度呈梯度变化。
6.根据权利要求4所述的吸能缓冲结构，其特征在于：同一阵列的反手性结构中，若干个反手性单元的第一节圆直径D1、第二节圆直径D2和第三节圆直径D3均相同，第一韧带长度L1、第二韧带长度L2和第三韧带长度L3均相同，且第一韧带厚度t1、第二韧带厚度t2、第三韧带厚度t3均相同；且反手性单元的第一节圆直径D1、第二节圆直径D2和第三节圆直径D3在三个阵列的反手性结构中均呈梯度变化；或和，三个韧带长度L1、L2、L3在三个阵列的反手性结构中均呈梯度变化；或和，三个韧带厚度t1、t2、t3在三个阵列的反手性结构中均呈梯度变化。
7.根据权利要求4所述的缓冲吸能结构，其特征在于：所述四个隔板均采用泡沫铝材质。
8.汽车车身，其特征在于：其应用权利要求4至7中任意一项所述的缓冲吸能结构。
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