CN112758519A - 一种准零刚度蜂窝芯减振包装及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准零刚度蜂窝芯减振包装及其制备方法，涉及食品、果蔬、酒水、精密仪器等运输缓冲包装结构设计领域。该减振包装的外部结构包括但不限于箱、圆柱、垫或其他形式，可依据具体情况改变；内部核心结构为准零刚度蜂窝芯，由负刚度双曲梁和正刚度圆锥曲线壁并联组成的胞元线性阵列构成。本发明基于正负刚度并联的原理，获得了整体结构的准零刚度特性，从而在保证原承载能力的情况下实现低频宽带减振，解决了传统减振包装以塑性变形方式吸收能量后不能重复使用、承载力低、低频减振效果差等问题。此外，本发明的结构通过3D打印技术或切割技术进行一体化制备，避免了现有的准零刚度减振器加工繁杂、安装困难等问题。

Description

一种准零刚度蜂窝芯减振包装及其制备方法

技术领域

本发明涉及食品、果蔬、酒水、精密仪器等运输缓冲包装结构设计领域，具体涉及一种准零刚度蜂窝芯减振包装及其制备方法。

背景技术

振动广泛存在于自然界中，尤其在运输过程中有大量的产品破损和缓冲包装功能失效现象发生，每年因包装防护不当引起产品破损导致的经济损失达几百到上千亿元。在我国，产品在运输过程中振动和冲击环境下的防护研究较为薄弱，常见的运输缓冲包装包括瓦楞纸箱、蜂窝纸板、纸浆模塑、气垫薄膜、泡沫塑料、塑料周转箱等，大多通过发生塑性变形吸收能量，不可重复使用，并且传统缓冲包装在低频运输过程中的减振效果较差，易对外包装造成直接影响，失去缓冲效果。

传统的线性减振器由于自身的固有频率无法降到足够低而难以实现期望的减振目标，主要表现为低频振动减振性能差、缺乏可调控性等。研究表明，通过合理的设计非线性减振器可以实现低频减振，尤其是准零刚度减振器相关原理的提出推动了该研究的发展。而现有的准零刚度减振器大多以弹簧机构为基础对象，在应用时存在加工困难、安装困难、实现困难等问题，限制了准零刚度减振器的应用范围。

发明内容

本发明针对上述现有运输缓冲包装中存在的问题，提出一种准零刚度蜂窝芯减振包装，并通过3D打印技术或切割技术（包括水切割或激光切割等）进行一体化制备，既表现出一定程度的可重复使用性，同时有效地改善了包装在运输过程中低频下的减振效果；其外部结构的多样性和内部连续结构的一体化制备使其相较于现有的准零刚度减振器加工、应用更易实现，适用范围更广。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种准零刚度蜂窝芯减振包装，内部核心结构为由负刚度双曲梁和正刚度圆锥曲线壁并联组成的胞元线性阵列构成的蜂窝芯，通过3D打印技术或切割技术一体化制备；外部结构包括但不限于箱、圆柱、垫或其他形式。

具体地，所述蜂窝芯胞元由双曲梁、圆锥曲线壁和压板组成，上下呈轴对称结构。

优选的，所述双曲梁为提供负刚度的机构，与其呈正交方向的圆锥曲线壁提供正刚度，基于正负刚度并联原理，使得胞元具有准零刚度特性，进而使得整体结构实现高静低动。

具体地，所述圆锥曲线壁与双曲梁下端相切使得蜂窝芯通过3D打印技术或切割技术一体化成型。

优选的，所述蜂窝芯选用具有粘弹性的尼龙基类材料通过3D打印技术或具有超弹性的金属材料通过切割技术制备。

工作原理：本发明在使用时，单曲梁在外界载荷的作用下发生非线性大变形时，出现弹性屈曲阶跃现象，在“突跳”的过程中，刚度将经历一段为负值的阶段，即表现为负刚度效应，实现了加卸载过程中能量的耗散。但单曲梁在载荷作用下易发生扭曲，阻止其表现出负刚度效应，减少结构吸收的能量；当采用双曲梁时，有利于限制曲梁在一、三阶屈曲模态之间跳转，避免了不对称屈曲模态的发生，促使其表现出负刚度行为，提高了蜂窝芯的吸能能力，因此选用双曲梁为提供负刚度的机构。圆锥曲线壁包括椭圆壁、双曲线壁、抛物线壁等，不仅表现出优良的稳定性，且具有较高的静承载力，在竖向载荷的作用下呈现正刚度特性，因此选用圆锥曲线壁为提供正刚度的机构。当外部载荷作用时，基于正负刚度并联的原理，圆锥曲线壁产生的正刚度与双曲梁屈曲产生的负刚度相抵消，使得胞元具有准零刚度特性，进而使得整体结构实现高静低动，从而在保证原承载能力的情况下实现低频宽带减振。此外，采用具有粘弹性的尼龙基类材料通过3D打印技术或具有超弹性的金属材料通过切割技术进行一体化制备，材料的粘弹性和超弹性及机械超结构设计允许蜂窝芯在多次加卸载循环后仍具有可重复使用性。

有益效果：本发明提供的一种准零刚度蜂窝芯减振包装，其外部结构包括但不限于箱、圆柱、垫或其他形式，可依据具体情况改变，实现多方位缓冲减振，降低运输过程中振动或冲击对外包装的直接影响。其内部核心结构为准零刚度蜂窝芯，有利于改善包装在低频运输下的减振效果，减少对内容物的机械损伤。蜂窝芯采用具有粘弹性的尼龙基类材料通过3D打印技术或具有超弹性的金属材料通过切割技术进行一体化制备，解决了传统运输缓冲包装通过塑性变形吸收能量后不能重复使用、承载力低等问题，避免了现有准零刚度减振器“三难”问题的出现。

附图说明

图1为本发明实施例的包装箱的正视图。

图2为准零刚度蜂窝芯减振包装箱的内部剖视图。

图3为蜂窝芯的结构示意图。

图4为胞元的结构示意图。

图中：2-1、侧壁；2-2、底板；4-1、上压板；4-2、双曲梁；4-3、加强壁；4-4、圆形壁；4-5、下压板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，将结合附图及实施案例，对本发明进行进一步的详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本实例涉及一种双曲梁-圆形壁准零刚度蜂窝芯减振包装箱，即其外部为箱型结构，参见图1所示。采用具有粘弹性的尼龙基类材料通过3D打印技术进行一体化制备，粘弹性材料在受到交变荷载作用时，由于应力应变不同步而表现出滞后效应，从而使结构产生能量损耗并具有可重复使用性。

具体地，参见图2所示，为准零刚度蜂窝芯减振包装箱的内部剖视图；侧壁2-1、底板2-2均为蜂窝芯，由胞元线性阵列构成，参见图3所示；胞元由双曲梁4-2、圆形壁4-4、压板4-1组成，上下呈轴对称结构，参见图4所示。在这里，选用圆形壁4-4为提供正刚度的机构、双曲梁4-2为提供负刚度的机构；当外部载荷作用时，基于正负刚度并联的原理，圆形壁4-4产生的正刚度逐渐与双曲梁4-2产生的负刚度相抵消，使得胞元具有准零刚度特性，进而使得整体结构实现高静低动，从而在保证原承载能力的情况下实现低频宽带减振，有效地改善了底板2-2在竖向方向低频下的减振效果；包装箱的侧壁2-1也为准零刚度蜂窝芯结构，避免了横向方向的冲击、相互碰撞，提高了包装箱的多方向减振效果。在卸载过程中借助材料自身的粘弹性和机械超结构设计使结构逐渐恢复到原来的形状，同时表现出一定程度的可重复使用性。

具体地，参见图4所示，为胞元的结构示意图，包括：上压板4-1、双曲梁4-2、加强壁4-3、圆形壁4-4、下压板4-5。单曲梁为预制无应力曲梁，形态类似余弦梁，两个同心单曲梁在顶部中心耦合形成双曲梁4-2，迫使曲梁在一、三阶屈曲模态之间跳转，限制不对称屈曲模态的出现，促使负刚度效应的发生；上下双曲梁的左右两端分别与水平方向相切并由加强壁4-3固定，避免了梁的横向膨胀阻止负刚度效应的出现；此外，圆形外壁4-4与双曲梁4-2下端相切，便于通过3D打印技术一体化制备内部连续结构，简便快捷。

所述双曲梁作为提供负刚度的机构，主要起耗能作用；圆锥曲线壁作为提供正刚度的机构，主要起承载作用。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，可以根据实际需求制备不同的外部结构或优化蜂窝芯胞元的结构参数，从而使准零刚度蜂窝芯减振包装可以满足不同应用下的承载力、耗能、减振需要。

任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种准零刚度蜂窝芯减振包装及其制备方法，其特征在于：蜂窝芯由负刚度双曲梁和正刚度圆锥曲线壁并联组成的胞元线性阵列构成，基于正负刚度并联原理，使得整体结构具有准零刚度特性，从而在保证原承载能力的情况下实现低频宽带减振，并通过3D打印技术或切割技术一体化制备。

2.根据权利要求1所述的一种准零刚度蜂窝芯减振包装，其特征在于：所述蜂窝芯胞元由双曲梁、圆锥曲线壁和压板组成，上下呈轴对称结构。

3.根据权利要求2所述的一种准零刚度蜂窝芯减振包装，其特征在于：所述双曲梁为提供负刚度的机构，与其呈正交方向的圆锥曲线壁提供正刚度，基于正负刚度并联原理，使得胞元具有准零刚度特性，进而使得整体结构实现高静低动。

4.根据权利要求1所述的一种准零刚度蜂窝芯减振包装的制备方法，其特征在于：所述圆锥曲线壁与双曲梁下端相切使得蜂窝芯通过3D打印技术或切割技术一体化成型。

5.根据权利要求4所述的一种准零刚度蜂窝芯减振包装的制备方法，其特征在于：所述蜂窝芯选用具有粘弹性的尼龙基类材料通过3D打印技术或具有超弹性的金属材料通过切割技术制备。

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