CN113719569B - 一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，包括多个吸能超结构单体，每个吸能超结构单体包括支架和余弦结构，支架包括四根相同结构的连接柱，四根连接柱的一端均连接有同一点，任意相邻的两根连接柱之间的夹角相同；任意相邻的两根连接柱的另一端分别连接有一根余弦结构；余弦结构远离支架的一侧设有对外连接结构，相邻两个吸能超结构单体之间通过对外连接结构进行连接，每个吸能超结构单体上的所有余弦结构都通过对外连接结构与一个相邻的吸能超结构单体上的余弦结构相连接。本发明的自恢复多方向拉伸式吸能超结构通过拉伸的相变过程可极大吸收冲击振动的能量，确保目标物体的冲击减振要求。

Description

一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构

技术领域

本发明涉及振动控制领域，尤其是一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构。

背景技术

冲击存在于自然界及人类生活中，如地震、炮火的发射。该过程通常持续的时间很短，但蕴含巨大的能量和力，在没有保护的情况下，有极大的可能造成设备的损坏、影响人的身体健康。传统方法是利用质量-阻尼-弹簧结构这类被动式系统或者主动控制系统对冲击能量进行吸收，技术相对成熟。21世纪初，随着“超结构”这一概念首先在光学领域的提出，各个领域的科研工作者将目光投入到“超结构”的研究工作中来，这其中便包含振动控制领域的科研工作者。利用人工设计的特殊结构使整体材料呈现出天然材料所不具备的超长物理性质，研制低成本、吸能性能高的吸能超结构，可极大丰富拓展其在振动控制领域的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，该结构能够实现对具有较大冲击能量的对象的能量吸收，降低冲击对目标对象的冲击损坏。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，包括多个吸能超结构单体，每个吸能超结构单体包括支架和余弦结构，所述支架包括四根相同结构的连接柱，四根所述连接柱的一端均连接有同一点，任意相邻的两根连接柱之间的夹角相同；任意相邻的两根连接柱的另一端分别连接有一根所述余弦结构；所述余弦结构远离所述支架的一侧设有对外连接结构，相邻两个吸能超结构单体之间垂直布置且通过所述对外连接结构进行连接，每个吸能超结构单体上的所有余弦结构都通过对外连接结构与一个相邻的吸能超结构单体上的余弦结构相连接。

本发明的有益效果是：本发明的自恢复多方向拉伸式吸能超结构通过拉伸的相变过程可极大吸收冲击振动的能量，确保目标物体的冲击减振要求；可实现x、y、z三方向上的减振吸能；根据加工设备的精度可实现宏观尺度及微观尺度的减振吸能；可实现吸能后超结构变形自主恢复，达到重复使用的效果。

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，所述连接柱为正三棱柱形状，所述正三棱柱形状的另一端的三个侧壁上分别连接有一根所述余弦结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置正三棱柱形状的连接柱，可以在正三棱柱的每个侧壁上都连接一个余弦结构，为余弦结构提供稳定的结构支撑。

进一步，所述余弦结构与所述连接柱之间通过卡接结构限位后再固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：有利于整体结构的稳定。

进一步，所述对外连接结构包括U型叉或插接块，相邻两个吸能超结构单体通过插接块插入U型叉内并通过螺栓固定实现连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用U型叉与插接块，可以实现相连的两个余弦结构之间的交叉布置，形成三维立体式吸能超结构。

进一步，所述余弦结构与连接柱的连接位置扣合固定有端盖。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置端盖，对连接位置进行保护，有利于整体结构的稳定。

进一步，所述端盖为类三角形结构，所述端盖内侧壁上位于三个角的位置分别内凸形成有三角形的卡接凸起；所述端盖扣合在余弦结构端部与连接柱端部的连接位置时，所述卡接凸起位于相邻的两个余弦结构端部之间。

采用上述进一步方案的有益效果是：相互卡接结构有利于整体结构的稳定。

进一步，所述余弦结构包含多个相同且互相平行的外形为余弦曲线的余弦梁，多个余弦梁中部通过连接梁固定连接，位于最外侧的一根余弦梁上设有对外连接部分。

进一步，多个余弦梁两端分别对应连接并各自连接有对内连接部分，所述对内连接部分上设有连接凸起；所述连接柱的另一端侧壁上分别设有连接凹槽，所述对内连接部分通过连接凸起卡入到所述连接柱的连接凹槽内。

采用上述进一步方案的有益效果是：使连接柱与余弦结构之间的连接配合更加稳定可靠。

进一步，所述余弦结构包括两个余弦梁。

进一步，还包括平板，吸能超结构位于最外侧的余弦结构通过支撑梁与所述平板固定连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：方便与外部振动部件进行连接。

附图说明

图1是本发明的自恢复多方向拉伸式吸能超结构初始状态立体结构示意图。

图2是本发明的自恢复多方向拉伸式吸能超结构初始状态立体结构主视图。

图3是本发明的吸能超结构单体的初始状态立体结构示意图。

图4是本发明的吸能超结构单体的初始状态主视图。

图5是本发明的支架的立体图。

图6是本发明的余弦结构的立体图。

图7是本发明的端盖的立体图。

图8是本发明的相邻余弦结构连接方式立体图。

图9是本发明的自恢复多方向拉伸式吸能超结构展开状态立体结构示意图。

图10是本发明的自恢复多方向拉伸式吸能超结构展开状态立体结构主视图。

图11～15是本发明的自恢复多方向拉伸式吸能超结构在一个方向上的吸能过程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、吸能超结构单体；1-1、支架；1-2、余弦结构；1-3、端盖；1-3-1、卡接凸起；1-1-1、连接凹槽；1-2-1、余弦梁；1-2-2、连接梁；1-2-3、对内连接部分；1-2-4、连接凸起；1-2-6、U型叉；1-2-7、插接块；2、平板。

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15所示，本实施例的一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，包括多个吸能超结构单体1，每个吸能超结构单体1包括支架1-1和余弦结构1-2，所述支架1-1包括四根相同结构的连接柱，四根所述连接柱的一端均连接有同一点，任意相邻的两根连接柱之间的夹角相同；任意相邻的两根连接柱的另一端分别连接有一根所述余弦结构1-2；所述余弦结构1-2远离所述支架1-1的一侧设有对外连接结构，相邻两个吸能超结构单体1之间通过所述对外连接结构进行连接，每个吸能超结构单体1上的所有余弦结构1-2都通过对外连接结构与一个相邻的吸能超结构单体1上的余弦结构1-2相连接。相互连接的两个余弦结构之间相互垂直。

吸能超结构单体在一个方向上的变形过程如下：沿余弦结构顶点方向施加拉力F，在外力F作用下，余弦结构沿F方向拉伸变形，经历相变过程，该过程会损耗能量，达到吸能的目的；另外两个方向上的变形过程和该过程相同；该变形过程始终为弹性变形，支架发生的变形相较于余弦结构的变形可忽略不计。

本实施例的吸能超结构由多个吸能结构单体1在X、Y和Z方向上分别线性排列而成，三个方向上吸能结构单体1数量的多少根据实际情况确定。

具体的，本实施例的吸能超结构单体包括一个支架1-1、六个相同的余弦结构1-2和六个相同的端盖1-3，支架1-1和余弦结构1-2通过端盖1-3进行固定。

如图5所示，本实施例的形成支架1-1的连接柱为正三棱柱形状，所述正三棱柱形状的另一端的三个侧壁上分别连接有一根所述余弦结构1-2。通过设置正三棱柱形状的连接柱，可以在正三棱柱的每个侧壁上都连接一个余弦结构，为余弦结构提供稳定的结构支撑。所述支架1-1由四根相同的正三棱柱构成，正三棱柱的四条轴线OA、OB、OC、OD与点ABCD所构成的正四面体的中心到四个顶点所连成的四条线段重合。所述支架1-1可以由3D打印机直接打印而成，也可将三棱柱加工之后通过组装而成。

如图5和图6所示，本实施例的所述余弦结构1-2与所述连接柱之间通过卡接结构限位后再固定连接，有利于整体结构的稳定。卡接结构可以选用榫卯结构进行连接，具体会在下文进行描述。

如图6和图8所示，本实施例的所述对外连接结构包括U型叉1-2-6或插接块1-2-7，相邻两个吸能超结构单体1通过插接块1-2-7插入U型叉1-2-6内并通过螺栓固定实现连接。采用U型叉与插接块，可以实现相连的两个余弦结构之间的交叉布置，形成三维立体式吸能超结构。例如，在其中一个吸能超结构单体1的余弦结构1-2上设置U型叉1-2-6，在另一个相邻的吸能超结构单体1的余弦结构1-2上设置插接块1-2-7，可将这两个吸能超结构单体1进行连接的余弦结构1-2垂直布置，再将插接块1-2-7插入到U型叉1-2-6中通过螺栓进行紧固。

如图3、图4和图7所示，本实施例的所述余弦结构1-2与连接柱的连接位置扣合固定有端盖1-3，所述端盖凹陷部分的形状与正三棱柱以及正三棱柱四周连接的余弦结构所构成的外形相适应。通过设置端盖，对连接位置进行保护，有利于整体结构的稳定。端盖1-3可以通过紧配合固定在相应的连接位置，也可以通过螺钉等连接件进行固定连接。

如图3、图4和图7所示，本实施例的所述端盖1-3为类三角形结构，所述端盖1-3内侧壁上位于三个角的位置分别内凸形成有三角形的卡接凸起1-3-1；所述端盖1-3扣合在余弦结构1-2端部与连接柱端部的连接位置时，所述卡接凸起1-3-1位于相邻的两个余弦结构1-2端部之间的孔隙中，这样相互配合的卡接结构有利于整体结构的稳定。

如图6和图8所示，本实施例的所述余弦结构1-2包含多个相同且互相平行的外形为余弦曲线的余弦梁1-2-1，多个余弦梁1-2-1中部通过连接梁1-2-2固定连接，位于最外侧的一根余弦梁1-2-1上设有对外连接部分，所述连接梁可以防止余弦梁偏转。所述余弦梁的的驱动方程为y＝-h/2*[1-cos(2πx/l)]，其中，h为顶点高度，l为余弦梁的跨度；每根余弦梁的厚度均为t，两根余弦梁之间具有一定的距离；余弦梁的深度与支架中的正三棱柱的底面棱长相等；通过改变顶点高度h与余弦梁的厚度t的比值可改变单元体的力学性能；顶点高度h与余弦梁厚度t的比值Q较小时，该结构为单稳态结构，较大时，该结构为双稳态结构。

如图6所示，本实施例的多个余弦梁1-2-1两端分别对应连接并各自连接有对内连接部分1-2-3，所述对内连接部分1-2-3上设有连接凸起1-2-4；所述连接柱的另一端侧壁上分别设有连接凹槽1-1-1，所述对内连接部分1-2-3通过连接凸起1-2-4卡入到所述连接柱的连接凹槽1-1-1内。每一个余弦结构1-1的两端都通过连接凸起与支架中两根正三棱柱的连接凹槽进行装配，使连接柱与余弦结构之间的连接配合更加稳定可靠。

如图6所示，本实施例的一个优选方案为，所述余弦结构1-2包括两个余弦梁1-2-1。

如图1和图2所示，本实施例的吸能超结构还包括平板2，吸能超结构位于最外侧的余弦结构1-2通过支撑梁与所述平板2固定连接。方便与外部振动部件进行连接，便于拉伸。可以在吸能超结构的上下两侧分别设置两个平行布置的平板2，也可以在左右两侧分别设置两个平行布置的平板2，或者可以设置多个不同方向的平板2。

本实施例的吸能超结构可以采用具有一定弹性形变的材料，例如，TPU等，也可以采用刚性材料，例如不锈钢等。

本实施例的一个具体方案为，以27个(3×3×3)吸能超结构单体1组成的自恢复多方向拉伸式吸能超结构为例，在实际应用中根据实际情况对x，y，z方向上单元体的个数进行确定，在超结构两侧装有平板2便于与外部装配体连接。图11为初始状态；如图12所示，沿y负方向施加外力F，吸能超结构单体1中的余弦结构1-2发生变形，在一定阈值下，余弦结构1-2均有几率发生相变，不失一般性，假设第一行的四个吸能超结构单体1的上半部分余弦结构首先发生相变，结构在y方向上被拉长，该过程中力F做的功通过相变产生的能量损耗进行消耗；如图13所示，继续改变外力F，第一行的四个吸能超结构单体1的下半部分余弦结构发生相变，结构继续被拉长，外力F的功继续被消耗；如图14所示，继续改变外力F，第二行的四个吸能超结构单体1的上半部分余弦结构发生突变，结构继续被拉长，外力F的功继续被消耗；如图15所示，继续改变外力F，第二行的四个吸能超结构单体1的下半部分余弦机构发生相变，结构在y方向上完全展开，y方向上的吸能效果达到最大值；将外载荷F卸载后，其变形过程可逆，即变形可自主恢复(如图11～15中空心箭头所示)；x，z方向上的吸能过程参考y方向的吸能过程。

本实施例的自恢复多方向拉伸式吸能超结构通过拉伸的相变过程可极大吸收冲击振动的能量，确保目标物体的冲击减振要求；可实现x、y、z三方向上的减振吸能；根据加工设备的精度可实现宏观尺度及微观尺度的减振吸能；可实现吸能后超结构变形自主恢复，达到重复使用的效果。

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)

1.一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，包括多个吸能超结构单体，每个吸能超结构单体包括支架和余弦结构，所述支架包括四根相同结构的连接柱，四根所述连接柱的一端均连接有同一点，任意相邻的两根连接柱之间的夹角相同；任意相邻的两根连接柱的另一端分别连接有一根所述余弦结构；所述余弦结构远离所述支架的一侧设有对外连接结构，相邻两个吸能超结构单体之间通过所述对外连接结构进行连接，每个吸能超结构单体上的所有余弦结构都通过对外连接结构与一个相邻的吸能超结构单体上的余弦结构相连接。

2.根据权利要求1所述一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，所述连接柱为正三棱柱形状，所述正三棱柱形状的另一端的三个侧壁上分别连接有一根所述余弦结构。

3.根据权利要求1所述一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，所述余弦结构与所述连接柱之间通过卡接结构限位后再固定连接。

4.根据权利要求1所述一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，所述对外连接结构包括U型叉或插接块，相邻两个吸能超结构单体通过插接块插入U型叉内并通过螺栓固定实现连接。

5.根据权利要求1所述一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，所述余弦结构与连接柱的连接位置扣合固定有端盖。

6.根据权利要求5所述一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，所述端盖为类三角形结构，所述端盖内侧壁上位于三个角的位置分别内凸形成有三角形的卡接凸起；所述端盖扣合在余弦结构端部与连接柱端部的连接位置时，所述卡接凸起位于相邻的两个余弦结构端部之间。

7.根据权利要求1所述一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，所述余弦结构包含多个相同且互相平行的外形为余弦曲线的余弦梁，多个余弦梁中部通过连接梁固定连接，位于最外侧的一根余弦梁上设有对外连接部分。

8.根据权利要求7所述一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，多个余弦梁两端分别对应连接并各自连接有对内连接部分，所述对内连接部分上设有连接凸起；所述连接柱的另一端侧壁上分别设有连接凹槽，所述对内连接部分通过连接凸起卡入到所述连接柱的连接凹槽内。

9.根据权利要求7所述一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，所述余弦结构包括两个余弦梁。

10.根据权利要求1所述一种自恢复多方向拉伸式吸能超结构，其特征在于，还包括平板，吸能超结构位于最外侧的余弦结构通过支撑梁与所述平板固定连接。

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