CN113027972B - 一种圆台形双稳态吸能阵列结构 - Google Patents

一种圆台形双稳态吸能阵列结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于吸能材料技术领域，具体为一种圆台形双稳态吸能阵列结构。本发明阵列结构由若干胞元堆叠而成；胞元由16根螺旋形梁组成；其中8根螺旋形梁按顺时针方向均匀排布，另8根螺旋形梁按逆时针方向均匀排布，并与顺时针均匀排布的8根螺旋形梁交叉，围成一空间圆形锥台；梁上、下两端分别由两块块圆形板固接，形成空间网格式“圆台形状”；当胞元的上板受压时向下移动，梁结构逐渐内凹到达第二个稳态；将胞元的上板上拉则回到第一个稳态。可采用3D打印、采用焊接或切削方式制备。本发明阵列结构拉压性能可通过改变梁直径、形状进行调整改变，以满足多种不同场合的性能需求，可广泛应用于各类机械设备，实现诸如自锁、支撑、展开等功能。

Description

一种圆台形双稳态吸能阵列结构
技术领域
本发明属于吸能材料技术领域，具体涉及一种圆台形双稳态吸能阵列结构。
背景技术
双稳态结构在变形过程中会发生屈曲跳跃，具有两个稳定平衡的位置或形态，可用于能量吸收。两种稳定形态在受力达到一定程度后能达到另外一个稳定形态，且无需外力维持。双稳态结构可以减少多余的约束装置，简化机械结构，可用于自锁结构、支撑结构、展开结构的设计等。当若干双稳态胞元组合成阵列结构时，可通过双稳态阵列结构大变形吸收冲击能量。若干双稳态胞元在受到冲击时，会部分或全部转化为另一种种稳定形态，从而起到缓冲和吸能的作用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种结构稳定性优异、制作方便的圆台形双稳态吸能阵列结构；该结构在受力达到一定程度后可变形成另一种稳定形态。若干该结构胞元堆叠而成的阵列结构在受力时可以部分或全部转化为另一种稳定形态从而起到较好的缓冲和吸能作用。
本发明提出的圆台形双稳态吸能阵列结构，该阵列结构由若干胞元上下方向堆叠而成；所述胞元由16根螺旋形梁组成，每根横截面为形状为圆形；其中，8根螺旋形梁按顺时针方向均匀排布，围成一空间圆形锥台，另8根螺旋形梁按逆时针方向均匀排布，围成一空间圆形锥台，并与顺时针均匀排布的8根螺旋形梁交叉；这些梁上端部固接于一块圆形板，下端部固接于另一块圆形板，形成空间网格式“圆台形状”；其中，螺旋形梁的螺旋线圈数0.5±0.2圈，圆形锥台的锥度为15±2度。
该胞元在不受压力时，处于第一的稳态；当胞元的上板受压时，上板向下移动，梁结构逐渐内凹，到达第二个稳态；此时将胞元的上板上拉，则可以回到第一个稳态。
制备方式可以由材料不同选用，通常采用3D打印增材制造方式，亦可采用传统焊接、切削方式制造。
制备材料要求有较好的弹性和韧性，比如TPU。
以熔融挤出3D打印这种增材制造手段为例：先用建模软件依照图纸建立三维模型，将所建立模型用切片软件切片后导入3D打印机打印。打印材料选用TPU95A，支撑材料选用PVA。打印好后，将零件浸入温水中若干小时，使水溶性支撑溶于水后晾干即可。
本发明设计的圆台形双稳态吸能阵列结构，具有如下优势：
1、结构受轴向拉压后可产生稳定的形态转换，应用于机械设备中可实现较好的吸能设计；
2、结构拉压性能可通过改变梁直径、数量、形状进行调整改变，可满足多种不同场合的性能需求；
3、结构用途广泛，可广泛应用于各类机械设备，实现诸如自锁、支撑、展开等功能。
附图说明
图1为圆台形胞元的三视图。
图2为圆台形胞元的左右二等角轴测图。
图3为实施例1中 1×1×3堆叠三视图。
图4为实施例1中 1×1×3堆叠左右二等角轴测图。
图5为实施例2中5×5×3堆叠三视图。
图6为实施例2中5×5×3堆叠左右二等角轴测图。
图7为圆台形胞元受压初始图。
图8为圆台形胞元受压变形图。
图9为圆台形双稳态结构受压 力-应变图。
图10为实施例1中1×1×3堆叠受压初始图。
图11为实施例1中1×1×3堆叠受压变形图。
图12为实施例2中5×5×3堆叠受压初始图。
图13为实施例2中5×5×3堆叠受压变形图。
具体实施方式
实施例1：
使用3D打印机打印，所用材料为TPU95A，所用水溶性支撑材料为PVA。
实施例1，由3个胞元堆叠成的阵列结构，为1×1×3堆叠排布，三视图如图3、图4所示。
实施例1中，圆台形双稳态结构（胞元）由16根螺旋锥形梁组成，其截面形状为圆形，直径为1mm，螺旋线形状为：圈数0.4圈、锥度16.7度。其中8根梁为顺时针、8根为逆时针，均匀排布成“圆台形”，这些梁上下接于两块共同的板，板厚为2mm。螺旋线上端围成的圆的直径17mm，螺旋线下端围成的圆的直径为47mm。
待打印完成后，将打印件置于水中浸泡，待清水变浑浊更换清水直至PVA支撑完全消失，晾干。
如图7、图8所示，圆台形双稳态结构在受压后变为第二种形态。由图9力-应变图可发现：随着下压距离的增大，所需压力先增加后减小，说明第二个形态是稳定状态。如图10、图11所示，1×1×3堆叠在受压后变为第二种形态，起到吸能的作用。
实施例2：
实施例2，由75个胞元堆叠成的阵列结构，为5×5×3堆叠排布，三视图如图5、图6所示，其加工方式与实施例1加工方式相同。如图12、图13所示，5×5×3堆叠在受压后变为第二种形态，起到吸能的作用。

Claims (3)

1.一种圆台形双稳态吸能阵列结构，其特征在于，由若干胞元堆叠而成；所述胞元由16根螺旋形梁组成，每根横截面为形状为圆形；其中，8根螺旋形梁按顺时针方向均匀排布，围成一空间圆形锥台，另8根螺旋形梁按逆时针方向均匀排布，围成一空间圆形锥台，并与顺时针均匀排布的8根螺旋形梁交叉；这些梁上端部固接于一块圆形板，下端部固接于另一块圆形板，形成空间网格式“圆台形状”；其中，螺旋形梁的螺旋线圈数0.5±0.2圈，圆形锥台的锥度为15±2度；材料采用富有弹性和韧性的材料；
所述胞元在不受压力时，处于第一的稳态；当胞元的上板受压时，上板向下移动，梁结构逐渐内凹，到达第二个稳态；此时将胞元的上板上拉，则回到第一个稳态。
2.一种如权利要求1所述的圆台形双稳态吸能阵列结构的制备方法，其特征在于，采用3D打印、采用焊接或切削方式。
3.根据权利要求2所述的圆台形双稳态吸能阵列结构的制备方法，其特征在于，采用3D打印时，先用建模软件依照图纸建立三维模型，将所建立模型用切片软件切片后导入3D打印机打印；打印材料选用TPU95A，支撑材料选用PVA；打印好后，将零件浸入温水中若干小时，使水溶性支撑溶于水后晾干。
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