CN112061565B - 一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，包括盖体、外层容器、内层容器、辅助机构和轴向压紧弹簧，轴向压紧弹簧安装在外层容器底部内壁上，内层容器套设在外层容器内并与轴向压紧弹簧连接，辅助机构套设在内层容器与外层容器之间的间隔中，盖体扣合在外层容器上端并分别与内层容器和辅助机构抵接；内层容器侧壁上形成有若干凸点，辅助机构上开设有若干与凸点一一对应的通孔，外层容器内侧壁上设有若干弹性驱动块；初始状态时，弹性驱动块抵接在辅助机构的外侧壁上；封装状态时，弹性驱动块从辅助机构的通孔弹出并驱动凸点发生稳态位置转换变为凹点，实现对月壤样品的三轴预紧力作用，使月壤样品返回实验室后仍保留原有层序信息。

Description

一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器

技术领域

本发明涉及空间样品包装运输相关技术领域，具体涉及一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器。

背景技术

美国NASA在火星2020计划中采用了带有弹簧压紧岩心采样封装容器设计方案。在毅力号火星车完成火星样品采集后，岩芯样品封装容器内侧底部设计有弹簧结构，将岩芯样品压紧。

现有技术主要是对岩芯起到固定、减振等作用，主要目的并非保持样品序列。同时，该方法难以扩展到土壤样品的封装容器设计中。在完成月球土壤样品的采集与封装后，土壤样品会被运输到地球上，在此期间的振动会破坏土壤样品的内部层序，大幅降低样品的科学研究价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有月壤封装容器，在运输过程中，无法进行有效保序封装，针对现有技术的不足，提供一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，包括盖体、外层容器、内层容器、辅助机构和轴向压紧弹簧，所述轴向压紧弹簧安装在所述外层容器底部内壁上，所述内层容器套设在所述外层容器内并与所述轴向压紧弹簧连接，所述辅助机构套设在所述内层容器与外层容器之间的间隔中，所述盖体扣合在所述外层容器上端并分别与所述内层容器和辅助机构抵接；所述内层容器侧壁上形成有若干凸点，所述辅助机构上开设有若干与所述凸点一一对应的通孔，所述外层容器内侧壁上设有若干弹性驱动块；初始状态时，所述弹性驱动块抵接在所述辅助机构的外侧壁上；封装状态时，所述弹性驱动块从所述辅助机构的通孔弹出并驱动所述凸点发生稳态位置转换变为凹点。

本发明的有益效果是：本发明的月壤保序封装容器，通过在月壤样品封装容器中引入锁芯双稳机构，利用双稳态结构的稳态位置转换，内层容器出现径向收缩变形，同时轴向压紧弹簧和盖体对内层容器中的土壤样品产生轴向预紧力，整个封装容器对土壤样品产生三轴预紧力作用，以此降低土壤孔隙度，从而使月壤样品在返回实验室后仍保留原有层序信息，确保样品的科学研究价值。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，若干所述凸点均匀分布在所述内层容器的侧壁上。

采用上述进一步方案的有益效果是：均匀分布的凸点使内层容器受到的预紧力也更加均匀稳定。

进一步，若干所述凸点分别沿所述内层容器的周向和轴向均匀分布。

进一步，所述凸点的突出部分形状为圆弧形状或曲面形状或正弦函数形状。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用圆弧形状或曲面形状或正弦函数形状的凸点设计，使凸点在弹性驱动块的驱动下稳态转换更容易实现。

进一步，所述凸点周边位置采用圆倒角与所述内层容器的侧壁连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：凸点周边位置采用圆倒角与所述内层容器的侧壁连接，尽可能减小凸点结构稳态转换时周边位置的应力集中。

进一步，所述弹性驱动块包括弹簧和驱动块，所述弹簧一端连接在所述外层容器的内侧壁上，所述弹簧另一端连接在所述驱动块上；初始状态时，所述驱动块抵接在所述辅助机构的外侧壁上；封装状态时，所述驱动块在弹簧的作用下从所述辅助机构的通孔弹出并驱动所述凸点发生稳态位置转换变为凹点。

采用上述进一步方案的有益效果是：利用弹簧对驱动块进行驱动，对凸点产生径向挤压力作用，结构简单，占用空间小，容易安装在辅助机构与外层容器之间的间隙中。

进一步，所述弹簧为内径逐渐收缩的锥筒型结构，所述弹簧的大头端连接在所述外层容器的内侧壁上，所述弹簧的小头端连接在所述驱动块上。

采用上述进一步方案的有益效果是：弹簧采用锥筒型结构，使驱动块的安装以及驱动过程更加稳定。

进一步，所述驱动块为圆柱型结构，所述圆柱形结构的一端为球面，另一端为平面；所述圆柱形结构平面的一端与所述弹簧连接，球面的一端抵接在所述辅助机构的外侧壁上或穿过辅助机构的通孔驱动凸点变为凹点。

采用上述进一步方案的有益效果是：将圆柱形结构球面的一端抵接在辅助机构的外侧壁上，驱动块与辅助机构的接触为点接触，使辅助机构与外层容器之间发生相对移动时，驱动块更容易克服与辅助机构之间的摩擦力。

进一步，所述盖体底面设有环形密封槽，所述盖体通过所述环形密封槽扣合在所述外层容器的顶部。

采用上述进一步方案的有益效果是：盖体与外层容器顶部密封更紧密。

进一步，所述盖体底面设有凸台，所述盖体扣合在所述外层容器顶部时，所述凸台适配插接在所述内层容器的顶部。

采用上述进一步方案的有益效果是：利用凸台实现对内层容器内月壤样品的轴向挤压。

附图说明

图1为本发明带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器封装前的剖面结构示意图；

图2为本发明带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器封装后的剖面结构示意图；

图3为本发明弹性驱动块封装前的结构示意图；

图4为本发明弹性驱动块封装后的结构示意图；

图5为本发明内层容器上凸点稳态位置转换后月壤样品三轴受压应力状态示意图；

图6为本发明内层容器上凸点径向变形过程整体结构弹性势能变化示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、盖体；11、环形密封槽；12、凸台；2、外层容器；3、内层容器；31、凸点；32、凹点；4、辅助机构；41、通孔；5、轴向压紧弹簧；6、弹簧；7、驱动块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-图6所示，本实施例的一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，包括盖体1、外层容器2、内层容器3、辅助机构4和轴向压紧弹簧5，所述轴向压紧弹簧5安装在所述外层容器2底部内壁上，所述内层容器3套设在所述外层容器2内并与所述轴向压紧弹簧5连接，所述辅助机构4套设在所述内层容器3与外层容器2之间的间隔中，所述盖体1扣合在所述外层容器2上端并分别与所述内层容器3和辅助机构4抵接；所述内层容器3侧壁上形成有若干凸点31，所述辅助机构4上开设有若干与所述凸点31一一对应的通孔41，所述外层容器2内侧壁上设有若干弹性驱动块；初始状态时，所述弹性驱动块与通孔41错位布置，所述弹性驱动块抵接在所述辅助机构4的外侧壁上；封装状态时，所述弹性驱动块从所述辅助机构4的通孔41弹出并驱动所述凸点31发生稳态位置转换变为凹点32。

本实施例的月壤保序封装容器，通过在月壤样品封装容器中引入锁芯双稳机构，利用双稳态结构的稳态位置转换，内层容器出现径向收缩变形，同时轴向压紧弹簧和盖体对内层容器中的土壤样品产生轴向预紧力，整个封装容器对土壤样品产生三轴预紧力作用，以此降低土壤孔隙度，从而使月壤样品在返回实验室后仍保留原有层序信息，确保样品的科学研究价值。

本实施例的一个优选方案为，若干所述凸点31均匀分布在所述内层容器3的侧壁上。均匀分布的凸点使内层容器受到的预紧力也更加均匀稳定。

本实施例的一个具体方案为，如图1和图2所示，若干所述凸点31分别沿所述内层容器3的周向和轴向均匀分布。

如图1-图4所示，本实施例的所述凸点31的突出部分形状为圆弧形状或曲面形状或正弦函数形状。采用圆弧形状或曲面形状或正弦函数形状的凸点设计，使凸点在弹性驱动块的驱动下稳态转换更容易实现。

具体的，本实施例的所述凸点31周边位置采用圆倒角与所述内层容器3的侧壁连接。凸点周边位置采用圆倒角与所述内层容器的侧壁连接，尽可能减小凸点结构稳态转换时周边位置的应力集中。

本实施例的内层容器3采用高弹性材料制成，例如65锰低合金圆钢(65Mn低合金圆钢必须应具备高的弹性极限和高的屈强比，以避免弹簧钢在高载荷下产生永久变形；同时还要求有良好的淬透性和低的脱碳敏感性，使弹性极限大幅度降低；以及良好的表面质量，在冷热状态下容易加工成形和良好的处理工艺性)，使内层容器3的凸点31具有很好的弹性。内层容器3的厚度以能够使驱动块7将凸点31稳定快速的转变为凹点32为宜。

本实施例的弹性驱动块的一个具体方案为，如图3和图4所示，所述弹性驱动块包括弹簧6和驱动块7，所述弹簧6一端连接在所述外层容器2的内侧壁上，所述弹簧6另一端连接在所述驱动块7上；初始状态时，所述驱动块7抵接在所述辅助机构4的外侧壁上；封装状态时，所述驱动块7在弹簧6的作用下从所述辅助机构4的通孔41弹出并驱动所述凸点31发生稳态位置转换变为凹点32。利用弹簧对驱动块进行驱动，对凸点产生径向挤压力作用，结构简单，占用空间小，容易安装在辅助机构与外层容器之间的间隙中。

其中，优选的，如图3和图4所示，所述弹簧6为内径逐渐收缩的锥筒型结构，所述弹簧6的大头端连接在所述外层容器2的内侧壁上，所述弹簧6的小头端连接在所述驱动块7上。弹簧采用锥筒型结构，使驱动块的安装以及驱动过程更加稳定。

如图1-图4所示，本实施例的所述驱动块7为圆柱型结构，所述圆柱形结构的一端为球面，另一端为平面；所述圆柱形结构平面的一端与所述弹簧6连接，球面的一端抵接在所述辅助机构4的外侧壁上或穿过辅助机构4的通孔41驱动凸点31变为凹点32。将圆柱形结构球面的一端抵接在辅助机构的外侧壁上，驱动块与辅助机构的接触为点接触，使辅助机构与外层容器之间发生相对移动时，驱动块更容易克服与辅助机构之间的摩擦力。所述驱动块7的直径小于或等于凸点31的直径，所述驱动块圆柱形结构一端的球面与凸点31形状结构相适配，方便驱动块7穿过通孔并驱动凸点31变为凹点32，而且使凸点31受力均匀。

如图1和图2所示，本实施例的所述盖体1底面设有环形密封槽11，所述盖体1通过所述环形密封槽11密封扣合在所述外层容器2的顶部。盖体与外层容器顶部密封更紧密。

如图1和图2所示，本实施例的所述盖体1底面设有凸台12，所述盖体1扣合在所述外层容器2顶部时，所述凸台12适配插接在所述内层容器3的顶部。凸台12与盖体1之间形成的台阶抵接再辅助机构4的上端，利用盖体1对辅助机构4进行轴向驱动，将辅助机构4上的通孔41移动到驱动块7能够穿过的位置，利用凸台12实现对内层容器3内月壤样品的轴向挤压。本实施例的盖体1、内层容器3、外层容器2以及辅助机构4分别采用圆柱形结构。

如图1-图6所示，本实施例的盖体结构主要用作容器密封，同时在封装时会对辅助机构4产生轴向压力作用。外层容器2刚度较高，是整个封装容器的主要支撑结构。内层容器3的侧壁采用带有均匀分布的双稳态凸点构型设计，内部用来盛放月壤样品，侧壁的凸点31结构可以发生稳态位置转换，变为凹点32，从而挤压内部土壤样品，使土壤样品处于三轴受压应力状态，具体如图5所示。本实施例的内层容器3整体为圆柱面形状，其上的凸点31分别沿其周向和轴向均匀分布，单个凸点31的突出部分形状采用圆弧形状或正弦函数形状设计，凸点31周边位置采用圆倒角形状与圆柱面连接，尽可能减小凸点31结构稳态转换时周边位置的应力集中。本实施例的辅助机构4位于内层容器3与外层容器2侧壁之间，在封装容器进行样品封装时会被激活，从而为内层容器3的凸点31位置提供稳态转换的驱动力。轴向压紧弹簧5与外层容器2底部固定连接，主要是为内层容器3产生轴向压紧力作用，并抑制外部振动对内层容器3的影响。

如图1-图4所示，本实施例的辅助机构4可实现方式较多，主要作用是在样品封装时为具有双稳态凸点的内层容器3提供径向收缩驱动力。本实施例的辅助机构4采用带有均匀分布圆孔的圆筒形结构，其圆孔位置对应于内层容器3的凸点31位置，封装前，弹性驱动块抵接在辅助机构4挡板的外侧壁上并与对应的圆孔错位布置，盖体1压接在辅助机构4挡板上端；封装时，在盖体1的轴向压力作用下出现轴向平移；封装后，辅助机构4挡板的圆孔位置与内层容器3的凸点31位置一一对应。弹性驱动块个数与内层容器3凸点31数量对应，弹簧6一端与驱动块7连接，另一端与外层容器2连接。驱动块7在封装前与辅助机构4外侧壁接触，驱动块7与辅助机构4之间的摩擦力可用于在封装前固定辅助机构4位置；而在封装时，辅助机构4挡板发生轴向移动，驱动块7开始时位置保持不变，而后遇到辅助机构4挡板上的圆通孔并穿过，与内层容器3上的凸点31接触，在弹簧6的驱动下，并对凸点31产生径向挤压力作用，从而使双稳态曲面结构完成稳态位置转换。

本发明通过数值仿真验证锁芯双稳机构方案可行性，建立内层容器单个凸点以及驱动块的有限元模型，给出了在驱动块的作用下凸点位置向内层容器内侧的收缩过程，由此可以初步验证所设计的双稳结构可以实现径向收缩。凸点位置向内层容器内侧的收缩过程为，先从中心位置开始凹陷，随着驱动块的作用，凸点中心位置的凹陷逐渐向四周扩散，直到整个凸点完全变为凹点。

图6给出了凸点结构径向收缩过程中的整体结构弹性势能变化曲线，其中横坐标表示凸点结构中心处的位移变化。从图中容易发现，除了初始位置为稳态位置外，在接近于初始位置的对称位置附近结构存在势能阱，因此该位置存在凸点结构的稳态位置。在外部输入能量保证凸点结构弹性势能刚好可以越过A点的条件下，凸点结构无需外部能量输入，自身就会有向稳态位置2变化的趋势。同时，由于样品土壤挤压等阻尼因素的作用，在无外部能量输入的情况下，结构应变能将保持在A点与B点之间，并最终稳定在稳态位置2。通过设计凸点几何构型可以改变A点势能高度以及稳态位置2附近的势能阱深，从而可以用更低的能量实现稳态转换功能。

本发明引入基于锁芯双稳机构的土壤样品封装容器内部设计，在样品封装时，在辅助机构驱动下，内层容器上的凸点结构发生了稳态位置换换，内层容器出现了径向收缩，对月壤样品产生三轴预压应力作用，来降低土壤孔隙度，使在封装后月壤样品具备层序高度保持能力，从而降低月面运输过程对月壤样品原始序列的影响，从而在月壤样品运输过程中降低外部干扰的影响，保护土壤原有层序信息，确保样品的科学研究价值。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，包括盖体、外层容器、内层容器、辅助机构和轴向压紧弹簧，所述轴向压紧弹簧安装在所述外层容器底部内壁上，所述内层容器套设在所述外层容器内并与所述轴向压紧弹簧连接，所述辅助机构套设在所述内层容器与外层容器之间的间隔中，所述盖体扣合在所述外层容器上端并分别与所述内层容器和辅助机构抵接；所述内层容器侧壁上形成有若干凸点，所述辅助机构上开设有若干与所述凸点一一对应的通孔，所述外层容器内侧壁上设有若干弹性驱动块；初始状态时，所述弹性驱动块抵接在所述辅助机构的外侧壁上；封装状态时，所述弹性驱动块从所述辅助机构的通孔弹出并驱动所述凸点发生稳态位置转换变为凹点。

2.根据权利要求1所述一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，若干所述凸点均匀分布在所述内层容器的侧壁上。

3.根据权利要求1所述一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，若干所述凸点分别沿所述内层容器的周向和轴向均匀分布。

4.根据权利要求1所述一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，所述凸点的突出部分形状为圆弧形状或正弦函数形状。

5.根据权利要求1所述一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，所述凸点周边位置采用圆倒角与所述内层容器的侧壁连接。

6.根据权利要求1所述一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，所述弹性驱动块包括弹簧和驱动块，所述弹簧一端连接在所述外层容器的内侧壁上，所述弹簧另一端连接在所述驱动块上；初始状态时，所述驱动块抵接在所述辅助机构的外侧壁上；封装状态时，所述驱动块在弹簧的作用下从所述辅助机构的通孔弹出并驱动所述凸点发生稳态位置转换变为凹点。

7.根据权利要求6所述一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，所述弹簧为内径逐渐收缩的锥筒型结构，所述弹簧的大头端连接在所述外层容器的内侧壁上，所述弹簧的小头端连接在所述驱动块上。

8.根据权利要求6或7所述一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，所述驱动块为圆柱型结构，所述圆柱型结构的一端为球面，另一端为平面；所述圆柱型结构平面的一端与所述弹簧连接，球面的一端抵接在所述辅助机构的外侧壁上或穿过辅助机构的通孔驱动凸点变为凹点。

9.根据权利要求1至6任一项所述一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，所述盖体底面设有环形密封槽，所述盖体通过所述环形密封槽扣合在所述外层容器的顶部。

10.根据权利要求1至6任一项所述一种带有锁芯双稳机构的月壤样品保序封装容器，其特征在于，所述盖体底面设有凸台，所述盖体扣合在所述外层容器顶部时，所述凸台适配插接在所述内层容器的顶部。

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