CN112497856A - 多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，包括空心管体，空心管体是圆形状、椭圆形状或多边形结构，在空心管体的长度方向，设置有多层空心柱胞体，相邻两层空心柱胞体之间设置支撑基板；每块支撑基板的两端与空心管体的侧壁具有间距，能够在空心管体的空腔中上、下移动；每层空心柱胞体包括若干个间隔布置的空心柱胞单元；在最上层的空心柱胞体上，设置上承力板。本发明的吸能结构，采用多层空心柱胞体结构，当外部冲击荷载等作用到该结构上，荷载先作用在上承力板上或者传力支座上，再竖向作用于多层空心柱胞体形成的夹芯结构，并在夹芯结构内部进行传递，通过每个单元显著的塑性变形有效地卸载冲击波强度，从而达到吸能缓冲的效果。

Description

多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构

技术领域

本发明涉及柱胞式吸能结构，尤其是由多个柱胞式吸能结构串联形成的多级串联柱胞阻尼吸能装置。

背景技术

工业生产、装备制造、航天航空以及军事防护等对于轻质、高强、吸能、减振的新型复合材料需求越来越高。夹芯材料一般是由两层高强度薄面板和中间轻质芯层通过焊接或胶接等而成，它既结合了面板材料抗弯曲、拉伸能力强和芯层材料塑性变形吸能的优势，又利用了夹芯结构轻质、比强度高、比刚度大和吸能减振等优点，是一种功能一体化结构材料，在上述领域得到快速发展。

夹芯材料按照芯层的种类可分为1、聚合物夹芯复合材料，2、泡沫铝夹芯复合材料，3、点阵夹芯材料等类型等三类。

在先公开的CN105799231B，其专利名称为“相向半球壳体柱胞结构的夹芯复合材料”，公开的结构为：包括第一面板和第二面板，在第一面板和第二面板之间，设置有若干个吸能柱胞单元，每个吸能柱胞单元由上下设置的两个半球壳体构成，两个半球壳体的开口端分别与第一面板和第二面板的内侧面连接，上下两个半球壳体之间相连接或接触。以及：上下两个半球壳体之间设置有垫块，上下两个半球壳体之间通过垫板相连接。其技术效果主要为：具有渐进吸能优点，并且避免了其他柱胞类型内应力峰值较高对支撑结构产生的负面影响。球壳柱胞结构其变形吸能没有阈值，即受到冲击荷载就会产生变形，且力-变形特点具有渐进性，对于不同类型的冲击、振动荷载都能够通过柱胞体变形吸收能量。同时，变形吸能过程中，柱胞结构承受冲击荷载的内应力随变形逐步加大，不会出现较大的内应力峰值。

在先公开的CN10574052B，其专利名称为“多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料”， 公开的结构为：包括第一面板和第二面板，在第一面板和第二面板之间，设置有若干个吸能柱胞，每个吸能柱胞由若干块曲面体构成，曲面体相互之间同向重叠；最上面一块曲面体的外侧与第一面板的内侧面接触或连接，至少一块曲面体与第二面板的内侧面接触或连接；曲面体是薄壁空心结构；所述吸能柱胞包括四块曲面体，由依次排列的第一曲面体、第二曲面体、第三曲面体、第四曲面体同向叠加构成，第一曲面体位于上端，第一曲面体、第二曲面体、第三曲面体和第四曲面体形成包围结构，第三曲面体包围第四曲面体，第二曲面体包围第三曲面体和第四曲面体，第一曲面体包围第二曲面体、第三曲面体和第四曲面体；第一曲面体、第二曲面体、第三曲面体、第四曲面体的下端分别与第二面板的内侧面连接。其技术效果主要为：能产生多级变形吸能，吸能密度高；多层曲面体变形具有渐进吸能优点，并且避免了其他柱胞类型内应力峰值较高对支撑结构产生的负面影响。

但，这两种柱胞结构的夹芯复合材料，都是单层结构体，结构体相对单一，吸能能力不高，不能达到多种冲击荷载的吸能耗散要求。

还有，这两种柱胞结构的夹芯复合材料，没有使用在阻尼吸能装置中，或者没有组合式使用来阻尼吸能装置中，没有发挥其串联组合式群体的叠加阻尼吸能效果，尚不能满足冲击载荷（冲击波）较大状态下的阻尼吸能、吸能缓冲的实际使用需要。

发明内容

本发明针对现有技术中阻尼吸能结构存在的上述不足，提供一种通过柱胞体显著的塑性变形来有效卸载外部较强冲击波的冲击强度、达到较强吸能缓冲效果的多级串联柱胞阻尼吸能装置；该装置还具有吸能密度高、渐进吸能的特别。

本发明的技术方案：多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，其特征在于：包括空心管体，所述空心管体是圆形状、椭圆形状或多边形结构，在空心管体内部空腔内，沿长度方向，设置有多层空心柱胞体，相邻两层空心柱胞体之间设置支撑基板；每块支撑基板的两端与空心管体的侧壁具有间距，每块支撑基板以及空心柱胞体，能够在空心管体的空腔中上、下移动；每层空心柱胞体包括若干个间隔布置的空心柱胞单元；在最上层的空心柱胞体上，设置有上承力板。

这样，本发明的冲击荷载吸能结构，采用在空心管体长度方向设置的多层空心柱胞体结构，当外力荷载如冲击荷载等作用到该结构上，荷载先作用在上承力板上或者传力支座上，并形成竖向力作用于多层空心柱胞体形成的夹芯结构，并在多层空心柱胞体形成的夹芯结构内部进行传递。多层空心柱胞体及其空心柱胞单元在荷载作用下，通过每个空心柱胞单元显著的塑性变形有效地卸载冲击波强度，从而达到吸能缓冲的效果。

进一步地，在上承力板上设置传力支座，上承力板设置在空心管体的空腔内，能够在空心管体的空腔中沿长度方向上、下移动。这样，使设置在空心管体的空腔内的上承力板和空心柱胞单都能在空心管体的空腔中沿长度方向上、下移动，通过每个空心柱胞单元显著的塑性变形有效地卸载冲击波强度。

进一步地，空心空心管体设置在基座底板上，最下面一层的空心柱胞体直接与基座底板接触，或者通过支撑基板与基座底板接触。设置了基座底板，更提高整个结构的稳固性等。

进一步地，同一层的空心柱胞单元之间等距离布置。这样同一层空心柱胞单元在冲击载荷作用下，同步变形，可以增强卸载冲击波强度的作用，而且提高吸能缓冲的效果。

进一步地，所述的空心柱胞单元是薄壁空心壳体结构，形状是球形或椭球形或圆柱形，或者是球形和圆柱形、椭球形和圆柱形的组合结构。空心柱胞单元是薄壁空心壳体结构，提高了塑性变形能力，增强卸载冲击波强度的作用，而且能提高单个空心柱胞单元吸能缓冲的效果。

进一步地，空心柱胞单元与支撑基板之间构成空隙，空隙之间加入填充材料。加入填充材料，那个明显提高吸能性能。

进一步地，在长度方向，相邻两排空心柱胞体的高度递减。上面几层的空心柱胞单元更“软”，下面的空心柱胞单元的尺寸逐层逐渐变小，相应变“硬”，形成梯度变化的串联式的多层叠加柱胞夹芯结构，更能显著吸能缓冲效果。

进一步地，在长度方向的每层空心柱胞体，都是由上下两排开口方向相反的空心柱胞单元构成，该两排开口方向相反的空心柱胞单元之间，设置有隔板；隔板的两端与空心管体的侧壁具有间距，每块隔板以及空心柱胞体，能够在空心管体的空腔中上下浮动。这样能够提高每层空心柱胞体塑性变形能力，增强卸载冲击波强度的作用，而且能提高单个空心柱胞单元吸能缓冲的效果。

吸能缓冲结构，其特征在于：包括在冲击载荷方向布置的若干个前述的多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，在上部的传力支座上面，设置上部板，在下部的基座底板下面，设置下承重板，将所述的多级串联柱胞阻尼吸能设置放置在下承重板上，形成吸能缓冲结构；或者，下承重板是将每块基座底板延长，形成一个整体受力承重板。这样的吸能缓冲结构，通过每个空心柱胞单元显著的塑性变形有效地卸载冲击波强度，从而达到吸能缓冲的效果。

本发明 多级串联柱胞阻尼吸能装置，相对于现有技术，具有如下特征：

1、当外力荷载如冲击荷载等作用到该装置上，荷载先作用在铰接支座，并形成竖向力作用在上承力结构板，而后作用于多层空心柱胞体形成的夹芯结构，并在多层空心柱胞体形成的夹芯结构内部进行传递。多层空心柱胞体及其空心柱胞单元在荷载作用下，通过每个空心柱胞单元显著的塑性变形有效地卸载冲击波强度，从而达到吸能缓冲的效果。

2、多层叠加空心柱胞体形成的夹芯结构，具有逐层变形和先软后硬吸能的优点，其在冲击荷载作用下具有大变形承载稳定、变形时间长、压缩量程长等优点。

3、还可通过填充聚氨酯泡沫、泡沫铝等多孔材料显著提高吸能性能。相比于传统结构材料，柱胞夹芯复合材料具有轻质、比强度高、比刚度高等特点。

4、还具有柱胞结构具有的渐进吸能优点，并且避免了其他柱胞类型内应力峰值较高对支撑结构产生的负面影响。在变形吸能过程中，柱胞结构承受冲击荷载的内应力随变形逐步加大，不会出现较大的内应力峰值。

附图说明

图1是本发明的阻尼吸能装置第一种实施例结构示意图；

图2是图1的空心柱胞体结构俯视图；

图3是本发明的阻尼吸能装置第二种实施例结构示意图；

图4是本发明的阻尼吸能装置第三种实施例结构示意图；

图5是本发明阻尼吸能装置构成的一个吸能缓冲结构示意图。

具体实施方式

如图1、2中，本发明多级串联柱胞阻尼吸能装置的第一种实施例结构，包括空心管体1，所述空心管体1是圆形状、椭圆形状或多边形结构，在空心管体1内部空腔内，沿其长度方向，设置有多层空心柱胞体2，多层空心柱胞体2之间形成串联结构；相邻两层空心柱胞体2之间设置支撑基板3；每层的空心柱胞体2包括若干个间隔布置的空心柱胞单元，同一层的空心柱胞单元之间均匀布置，最佳是等距离布置；环形结构的空心柱胞单元是薄壁空心壳体结构，该薄壁空心壳体可以是球形或椭球形或圆柱形，或者是球形和圆柱形、椭球形和圆柱形的组合结构，最佳是薄壁状、空心圆形结构；在最上层的空心柱胞体2上，设置有上承力板4，在上承力板4上设置传力支座5；多层空心柱胞体2沿长度方向上下排列，形成串联的传力结构。空心空心管体1设置在基座底板6上，最下面一层的空心柱胞体2直接与基座底板6接触，或者通过支撑基板3与基座底板6接触。每块支撑基板3的长度或直径小于空心管体1的空腔的长度或直径，即每块支撑基板3的两端与空心管体1的侧壁具有间距，每块支撑基板3以及空心柱胞体2，能够在空心管体1的空腔中上下移动（小范围浮动）。如果上承力板4设置在空心管体1的空腔内，则需要在空心管体1的空腔中上下移动（小范围浮动），则上承力板4的两端与空心管体1的侧壁具有间距；图1所示，每层的空心柱胞体2包括若干个间隔布置的空心柱胞单元，最佳是等距离的均匀布置；每层的空心柱胞单元的几何尺寸相同，即立体结构相同。本发明的装置，在受力或冲击状态下，传力支座5将载荷或上承力板4将载荷通过每层空心柱胞体2，逐级传递到基座底板6。

根据需要，本发明的空心柱胞单元与支撑基板3之间构成空隙，包括支撑基板3与上下排的空心柱胞单元之间形成的间隙，在该空隙之间加入填充材料，该填充材料优选聚氨酯泡沫、泡沫铝等多孔材料，能显著提高吸能性能。

图2的俯视图中，空心管体1呈薄壁圆形，其支撑基板3呈圆形，空心柱胞单元呈薄壁圆形，若干空心柱胞单元布置在支撑基板3的平面上。

如图3所示，本发明多级串联柱胞阻尼吸能装置的第二种实施例结构，其与第一种实施例结构相同的部分不再描述；其不同之处是：在长度方向，相邻两层空心柱胞体2的高度递减，即从最上面一层到最后一层空心柱胞体2，其高度逐渐减小，上一层的高度大于相邻的下一层的高度。即，每一层的多个空心柱胞单元的高度（几何尺寸）相同，上一层的空心柱胞单元的高度大于相邻的下一层空心柱胞单元的高度，形成空心柱胞单元的高度递减关系。这样，上面几层的空心柱胞单元的高度（几何尺寸）较大，在同样厚薄的情况下，几何尺寸较大的空心柱胞单元更“软”，最先接触荷载的上层柱胞夹芯结构偏“软”，在同一荷载作用下较易变形。在同等材质下，曲面体球壳厚度越薄，半径越大（即几何尺寸大），越易变形；而后下面的空心柱胞单元的尺寸逐层逐渐变小，相应变“硬”（即在同样荷载作用下较难变形）；从而形成梯度变化的串联式的多层叠加柱胞夹芯结构，更能显著吸能缓冲效果。

如图4所示，本发明多级串联柱胞阻尼吸能装置的第三种实施例结构，其与第一种实施例结构相同的部分不再描述；其不同之处是：在长度方向的每层空心柱胞体2，都是由上下两排开口方向相反的空心柱胞单元构成，即该两排空心柱胞单元是反向布置的；该两排开口方向相反的空心柱胞单元之间，设置有隔板21，隔板21的两端与空心管体1的侧壁具有间距，每块隔板21以及空心柱胞体2，能够在空心管体1的空腔中上下浮动；这样由上下两排开口方向相反的空心柱胞单元构成的空心柱胞体2的夹芯结构，使每层的空心柱胞体2更具有弹性，吸能缓冲效果更优。

图4所示的每层空心柱胞体2的高度（几何尺寸）相同；也可以将实施例3设置成图3所示的结构，即上一层的空心柱胞单元的高度大于相邻的下一层空心柱胞单元的高度，从最上面一层到最后一层的空心柱胞体2，其每层的高度逐渐减小，形成空心柱胞单元的高度递减关系。

如图5所示，由本发明的柱胞体冲击荷载吸能结构构成的一个吸能缓冲结构，包括在冲击载荷方向设置（通常是正对冲击载荷的竖向或水平）的若干个前述的柱胞体冲击荷载吸能结构，在上部的传力支座5上面，设置上部板11，在下部的基座底板6下面，设置下承重板12，将全部的柱胞体冲击荷载吸能结构设置在下承重板12上，形成吸能缓冲结构；下承重板12也可以是将每个柱胞体冲击荷载吸能结构基座底板6延长，形成一个整体受力承重板。下承重板12直接支撑在地面上，或者支撑在底座13上，图中是多个底座13，承受各种载荷或冲击载荷的作用。

本发明的吸能缓冲结构，安装于需要吸能保护的结构表面，正对冲击载荷的方向（垂直与冲击载荷方向的平面），传力支座5上面设置的上部板11作为受力面，可以是安装板、柱等结构。当外力荷载，如冲击、爆炸等荷载等作用到该装置的上部板11上，荷载先作用在传力支座5上，并形成竖向力作用在上承力板4上，而后作用在空心管体1内的多层空心柱胞体2的空心柱胞单元，并在多层柱胞结构内部从上到下进行传递。空心柱胞体2内的空心柱胞单元在荷载作用下，通过柱胞结构显著的塑性变形有效地卸载冲击波强度，从而达到吸能缓冲的效果。

本发明的多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构以及吸能缓冲结构，在管体的长度方向多层叠加柱胞夹芯结构，具有逐层变形和先软后硬吸能的优点，其在冲击荷载作用下具有大变形承载稳定、变形时间长、压缩量程长等优点。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，其特征在于：包括空心管体（1），所述空心管体（1）是圆形、椭圆形或多边形结构，在空心管体（1）内部空腔内，沿管体长度方向，设置有多层空心柱胞体（2）；每层空心柱胞体（2）包括若干个在支撑基板（3）上间隔布置的空心柱胞单元；每块支撑基板（3）的周边与空心管体（1）的内侧壁具有间距；在最上层的空心柱胞体（2）上，设置有上承力板（4）；每层空心柱胞体（2）能够在空心管体（1）的空腔中沿长度方向上、下移动。

2.根据权利要求1所述多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，其特征在于：在上承力板（4）上设置传力支座（5），上承力板（4）设置在空心管体（1）的空腔内，能够在空心管体（1）的空腔中沿长度方向上、下移动。

3.根据权利要求1所述多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，其特征在于：空心管体（1）设置在基座底板（6）上，最下面一层的空心柱胞体（2）直接与基座底板（6）接触。

4.根据权利要求2所述多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，其特征在于：同一层的空心柱胞单元之间等距离布置。

5.根据权利要求1—4任一所述多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，其特征在于：所述的空心柱胞单元是薄壁空心壳体结构，形状是底边开口的半球形或半椭球形或开口圆柱形，或者是球形和圆柱形、椭球形和圆柱形的组合结构。

6.根据权利要求5所述多级串联柱胞阻尼吸能装置，其特征在于：空心柱胞单元与支撑基板（3）之间构成空隙，空隙之间加入填充材料。

7.根据权利要求1—4任一所述多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，其特征在于：在长度方向，相邻两排空心柱胞体（2）的高度递减。

8.根据权利要求1—4任一所述多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，其特征在于：在长度方向的每层空心柱胞体（2），都是由若干个在支撑基板（3）上间隔布置的上下两排开口方向相反的空心柱胞单元构成，该两排开口方向相反的空心柱胞单元之间，设置有隔板（21）；隔板（21）的周边与空心管体（1）的侧壁具有间距，每块隔板（21）以及空心柱胞体（2），能够在空心管体（1）的空腔中上下移动。

9.吸能缓冲结构，其特征在于：包括在垂直于冲击载荷方向的平面内布置的若干个权利要求1—8任一所述的多级串联柱胞体冲击荷载吸能结构，在其上部的上承力板（4）上，或传力支座（5）上面，设置上部承力结构（11），在下部的基座底板（6）下面，设置下部支撑结构（12），形成吸能缓冲结构；或者，下部支撑结构（12）是将每块基座底板（6）延长，形成一个整体受力承重板。

10.根据权利要 9所述的吸能缓冲结构，其特征在于：下部支撑结构（12）下面设置底座（13）上，支撑在多个底座（13）上。

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