CN113757281A

CN113757281A - 一种基于多稳态的吸能单元体以及吸能材料

Info

Publication number: CN113757281A
Application number: CN202111041834.3A
Authority: CN
Inventors: 马洪业; 王珂; 赵海峰; 穆瑞楠
Original assignee: Technology and Engineering Center for Space Utilization of CAS
Current assignee: Technology and Engineering Center for Space Utilization of CAS
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2021-12-07
Anticipated expiration: 2041-09-07
Also published as: CN113757281B

Abstract

本发明涉及一种基于多稳态的吸能单元体以及吸能材料，吸能单元体包括两个开口相对布置且具有内凹空间的支撑结构以及连接在两个支撑结构内的两对直角三角形结构；每对直角三角形结构的直角角位通过连接区域连接，两个成对的直角三角形结构中，各自的一个锐角角位与另两个成对的直角三角形结构各自的锐角角位分别通过连接区域进行连接，使每个直角三角形结构用于连接的直角角位和锐角角位之间的直角边合围成一四边形结构；每个直角三角形结构剩余的一个锐角角位与支撑结构的端部连接；其中，当两个支撑结构合拢后，四个所述直角三角形结构靠拢并适配置于两个支撑结构之间形成的收纳空间中。

Description

一种基于多稳态的吸能单元体以及吸能材料

技术领域

本发明涉及振动控制领域，尤其是一种基于多稳态的吸能单元体以及吸能材料。

背景技术

冲击振动广泛存在于日常生活、工业生产的各个方面，例如，不平路面对车身的冲击、发射的子弹对枪膛的冲击等。若不对这一冲击过程进行控制，则会极大降低设备的使用寿命、增加设备的安全隐患。通过引入材料和机械领域的前沿技术，例如基于多稳态的吸能超材料技术，同时考虑减振设备的特定需求，研制低成本、吸能性能高的新型超材料，契合了工业设备、国防产品对冲击减振的需求，对冲击吸能新方法的拓展具有重要意义。

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，提供一种基于多稳态的吸能单元体以及吸能材料。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于多稳态的吸能单元体，包括两个开口相对布置且具有内凹空间的支撑结构以及连接在两个支撑结构内的两对直角三角形结构；每对直角三角形结构的直角角位通过连接区域连接，两个成对的直角三角形结构中，各自的一个锐角角位与另两个成对的直角三角形结构各自的锐角角位分别通过连接区域进行连接，使每个直角三角形结构用于连接的直角角位和锐角角位之间的直角边合围成一类四边形结构；每个直角三角形结构剩余的一个锐角角位与支撑结构的端部连接；其中，当两个支撑结构合拢后，四个所述直角三角形结构靠拢并适配置于两个支撑结构之间形成的收纳空间中。

本发明的有益效果是：本发明基于多稳态的吸能单元体，能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。吸能单元体在压缩过程中可极大吸收冲击振动的能量，保证有效载荷的正常工作；通过改变几何参数(锐角角度大小、连接区域的厚度等)，可实现吸能形态的变化，如压缩吸能后吸能单元体变形自主恢复、变形不能自主恢复；可实现在宏观尺度(厘米、米)及微观尺度(纳米、微米)减振吸能。

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，所述支撑结构的内凹空间呈V型结构或圆弧形结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用V型结构或圆弧形结构均能将变形合拢后的四个直角三角形结构进行收纳。

进一步，所述直角三角形结构中，与其他直角三角形结构连接的锐角角位角度为β，与支撑结构连接的锐角角位角度为α，α＜β。

进一步，2α＝β。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过对角度进行限制，形态更加稳定。

进一步，所述支撑结构内凹空间的角度为γ，γ＝2β。

采用上述进一步方案的有益效果是：合拢后的支撑结构与两对直角三角形结构之间的配合更加稳定紧密。

一种基于多稳态的吸能材料，包括多个所述的吸能单元体，多个所述吸能单元体沿X向或/和Y向依次排布，且相邻两个吸能单元体的支撑结构端部对应连接。

本发明的有益效果是：本发明的吸能材料，能够在压缩过程中可极大吸收冲击振动的能量，保证有效载荷的正常工作；通过改变几何参数(锐角角度大小、连接区域的厚度等)，可实现吸能形态的变化，如压缩吸能后吸能单元体变形自主恢复、变形不能自主恢复；可实现在宏观尺度(厘米、米)及微观尺度(纳米、微米)减振吸能。

进一步，X向排布的多个吸能单元体中，相邻两个吸能单元体的支撑结构端部对应连接，Y向相邻两排吸能单元体错位布置且共用一排支撑结构。

采用上述进一步方案的有益效果是：整体结构紧凑，吸能效果好。

一种基于多稳态的三维吸能单元体，包括两个所述的吸能单元体，每个吸能单元体中，两对直角三角形结构的连接位置分别设有第一立体连接件，两个所述吸能单元体交叉布置且共用同一个第一立体连接件。

本发明的三维吸能单元体在压缩过程中可极大吸收各个方向冲击振动的能量，保证有效载荷的正常工作。

进一步，两个吸能单元体的支撑结构交叉位置设有第二立体连接件。

一种基于多稳态的三维吸能材料，包括多个所述的三维吸能单元体，多个所述三维吸能单元体分别沿X向或/和Y向依次排布，且相邻两个三维吸能单元体的支撑结构端部通过第二立体连接件对应连接。

本发明的多稳态吸能材料在压缩过程中可极大吸收各个方向冲击振动的能量，保证有效载荷的正常工作。

附图说明

图1是本发明的平面式多稳态吸能材料结构示意图。

图2是本发明的平面式双稳态吸能单元体的立体结构示意图。

图3是本发明的平面式双稳态吸能单元体的主视图。

图4是本发明的平面式双稳态吸能单元体在外力作用下的中间变形形态示意图。

图5是本发明的平面式双稳态吸能单元体在外力作用下的最终变形形态示意图。

图6是本发明的立体式多稳态三维吸能材料结构示意图。

图7是本发明的立体式多稳态三维吸能材料结构的主视图。

图8是本发明的立体式多稳态三维吸能材料结构的俯视图。

图9是本发明的立体式双稳态三维吸能单元体的立体结构示意图。

图10是本发明的立体式双稳态三维吸能单元体的初始形态的主视图。

图11是本发明的立体式双稳态三维吸能单元体的最终形态的主视图。

图12是本发明的立体式双稳态三维吸能单元体的俯视图。

图13是本发明的立体式双稳态三维吸能单元体沿图12的A-A截面的剖视图。

图14a～14g是本发明中平面式吸能材料的吸能过程示意图。

图15a～15d是本发明中立体式多稳态三维吸能材料的吸能过程示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、吸能单元体；1-1、支撑结构；1-2、直角三角形结构；1-3、连接区域；1-1-1、尖角；1-1-2、端点；

2、三维吸能单元体；2-1、第一立体连接件；2-2、第二立体连接件；2-3、轴线。

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。

实施例1

如图1～图5所示，本实施例的一种基于多稳态的吸能单元体，包括两个开口相对布置且具有内凹空间的支撑结构1-1以及连接在两个支撑结构1-1内的两对直角三角形结构1-2；每对直角三角形结构1-2的直角角位通过连接区域1-3连接，两个成对的直角三角形结构1-2中，各自的一个锐角角位与另两个成对的直角三角形结构1-2各自的锐角角位分别通过连接区域1-3进行连接，使每个直角三角形结构1-2用于连接的直角角位和锐角角位之间的直角边合围成一类四边形结构；每个直角三角形结构1-2剩余的一个锐角角位与支撑结构1-1的端部连接；其中，当两个支撑结构1-1合拢后，四个所述直角三角形结构1-2靠拢并适配置于两个支撑结构1-1之间形成的收纳空间中。

如图2～图5所示，本实施例的所述支撑结构1-1的内凹空间呈V型结构或圆弧形结构。采用V型结构或圆弧形结构均能将变形合拢后的四个直角三角形结构进行收纳。优选采用V型结构，V型结构具有一定的厚度，V型结构的尖角1-1-1关于水平面向外凸出。

如图3所示，本实施例的所述直角三角形结构1-2中，与其他直角三角形结构1-2连接的锐角角位角度为β，与支撑结构1-1连接的锐角角位角度为α，α＜β。即直角三角形结构1-2中，较小的锐角与V型结构的端点1-1-2通过连接区域1-3进行连接，较大的锐角则通过连接区域1-3两两相连。所述连接区域1-3的厚度远小于V型结构以及直角三角形结构1-2所在区域的厚度，厚度方向上用来连接的两条边线可以为直线，也可以为弧线。连接区域1-3的变形为弹性变形而非塑性变形。

本实施例的一个优选方案为，2α＝β。通过对角度进行限制，形态更加稳定。

本实施例的一个优选方案为，如图3所示，所述支撑结构1-1内凹空间的角度为γ，γ＝2β。合拢后的支撑结构与两对直角三角形结构之间的配合更加稳定紧密。

本实施例基于多稳态的吸能单元体，能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。吸能单元体在压缩过程中可极大吸收冲击振动的能量，保证有效载荷的正常工作；通过改变几何参数(锐角角度大小、连接区域的厚度等)，可实现吸能形态的变化，如压缩吸能后吸能单元体变形自主恢复、变形不能自主恢复；可实现在宏观尺度(厘米、米)及微观尺度(纳米、微米)减振吸能。

实施例2

如图1、图14a～图14g所示，本实施例的一种基于多稳态的吸能材料，包括多个所述的吸能单元体1，多个所述吸能单元体1沿X向或/和Y向依次排布，且相邻两个吸能单元体1的支撑结构1-1端部对应连接。

如图1所示，X向排布的多个吸能单元体1中，相邻两个吸能单元体1的支撑结构1-1端部对应连接，Y向相邻两排吸能单元体1错位布置且共用一排支撑结构1-1。整体结构紧凑，吸能效果好。

本实施例的吸能材料为平面式吸能超材料，由平面式的吸能单元体在X和Y方向重复排列组成。具体的，可在X方向上奇数行设定为5个，偶数行设定为4个，在Y方向上一共设立了5行；平面式吸能超材料在Z方向上有一定的深度。如图3、图4、图5所示，图3为平面式双稳态吸能单元体1的初始稳定状态，当在竖直外力F作用下时，由于连接区域1-3厚度较薄，会产生较大的变形，同时直角三角形结构1-2也有一定程度的变形并沿着V形结构的端点1-1-2旋转，平面式双稳态吸能单元体1在Y方向上的高度变低，形成图4所示的中间状态，在变力F的进一步驱动下，直角三角形结构1-2和连接区域1-3进一步变形，最终达到图5所示的另一种稳定状态；在此期间，直角三角形结构1-2和连接区域1-3的变形始终为弹性变形。

本实施例的所述平面式多稳态吸能超材料结构的吸能过程(图14a～图14f)如下：

1.如图14a所示所有的吸能单元体相同，均为初始稳态；

2.如图14b所示，在第一层上方施加一力F，每一层的吸能单元体均会变形，特别的，第二层、第四层的变形更大，整个结构在竖直方向上的高度降低，外力F做的功转化为系统内材料的弹性势能；

3.如图14c所示，进一步加载力F，第二层或第四层均有概率失稳进入第二稳定状态，不失一般性，这里设定第二层首先进入第二稳定状态，整个结构在竖直方向上的高度继续降低，外力F做的功一部分转化为系统内材料的弹性势能，另一部分通过稳态转换以“冷功”的形式耗散掉；

4.如图14d所示，改变力F，第四层进入第二稳定状态，整个结构在竖直方向上的高度继续降低，外力F做的功一部分转化为系统内材料的弹性势能，另一部分通过稳态转换以“冷功”的形式耗散掉；

5.如图14e～图14g所示，改变力F，第一层、第三层、第五层均有几率进入第二稳定状态，不失一般性，这里指定第一层首先进入第二稳定状态，之后随着力的变化，第三层、第五层先后进入第二稳定状态，图14g为最终状态，此时外力F做的功一部分转化为系统内材料的弹性势能，另一部分通过稳态转换以“冷功”的形式耗散掉。

上述过程中(图14e～图14g)，在一定参数下(如连接区域1-3的厚度、直角三角形结构1-2中较小锐角α的角度)，图14g中的结构在去掉外力后由于双稳态特性不会恢复到图14a所示的形状，但在其他参数下，卸载外力F后，压缩后的结构恢复到原来的形状，两种情况均可实现冲击吸能，但吸能效率不同。上述过程(图14e～图14g)中每层进入第二种稳态先后顺序不能确定，为了实现变形顺序的可控制性(可编程)，可改变每层吸能单元体的结构参数(如连接区域1-3的厚度、直角三角形区域1-2中较小锐角α的角度)，例如第二层中连接区域1-3的厚度比第四层的厚，则第四层首先发生稳态的改变，第一层中减小直角三角形结构1-2中较小锐角α的角度，则该层首先发生稳态的改变。

本实施例的吸能材料，能够在压缩过程中可极大吸收冲击振动的能量，保证有效载荷的正常工作；通过改变几何参数(锐角角度大小、连接区域的厚度等)，可实现吸能形态的变化，如压缩吸能后吸能单元体变形自主恢复、变形不能自主恢复；可实现在宏观尺度(厘米、米)及微观尺度(纳米、微米)减振吸能。

实施例3

如图6～图13所示，本实施例的一种基于多稳态的三维吸能单元体2，包括两个所述的吸能单元体1，每个吸能单元体1中，两对直角三角形结构1-2的连接位置分别设有第一立体连接件2-1，两个所述吸能单元体1交叉布置且共用同一个第一立体连接件2-1。所述第一立体连接件2-1采用立方体形状。

如图9所示，本实施例的两个吸能单元体1的支撑结构1-1交叉位置设有第二立体连接件2-2，所述第二立体连接件2-2也可采用立方体形状。

本实施例的三维吸能单元体在压缩过程中可极大吸收各个方向冲击振动的能量，保证有效载荷的正常工作。

实施例4

如图6、图7、图15a～图15d所示，本实施例的一种基于多稳态的三维吸能材料，包括多个所述的三维吸能单元体2，多个所述三维吸能单元体2分别沿X向或/和Y向依次排布，且相邻两个三维吸能单元体2的支撑结构1-1端部通过第二立体连接件2-2对应连接。

本实施例的多稳态吸能材料由立体式双稳态三维吸能单元体2在X、Y、Z方向重复排列组成，本实例中，如图6所示，在Z方向上一共分为三层，从上到下，每一层单元体的分布为：第一层2+1+2，第二层2+2，第三层2+1+2。如图11、图12所示，图11为立体式双稳态三维吸能单元体2的初始稳定状态，当在竖直外力F作用下时，连接区域1-3厚度较薄，会产生较大的变形，同时直角三角形结构所形成的屈曲结构也有一定程度的变形并沿着V形结构两侧的端线转动，三维吸能单元体2在Y方向上的高度变低，最终变为图12所示的另一种稳定状态；在此期间连接区域1-3和直角三角形结构所形成的屈曲结构的变形始终为弹性变形。

本实施例的立体式三维多稳态吸能超材料结构的吸能过程(图15a～图15d)如下：

1.如图15a所示所有的三维吸能单元体相同，均为初始稳态；

2.如图15b所示，在第一层上方施加一力F，第二层首先进入第二稳定状态，整个结构在竖直方向上的高度继续降低，外力F做的功一部分转化为系统内材料的弹性势能，另一部分通过稳态转换以“冷功”的形式耗散掉；

3.如图15c～15d所示，改变力F，第一层、第三层均有几率进入第二稳定状态，不失一般性，这里指定第一层首先进入第二稳定状态，之后随着力的变化，第三层进入第二稳定状态，图15d为最终状态，此时外力F做的功一部分转化为系统内材料的弹性势能，另一部分通过稳态转换以“冷功”的形式耗散掉。

类似图14a～图14g的过程，上述过程中(图15c～图15d)，在一定参数下(如连接区域2-4的厚度、五面体区域2-2中较小锐角的角度)，在卸载外力F后也可实现两种变形状态：压缩后变形不可自主恢复，压缩后变形自主恢复。二者都可进行冲击能量的吸收。类似图14a～图14g的过程，上述过程(图15c～图15d)通过改变每层单元体的结构参数，可实现变形顺序的可控制性(可编程)。

本实施例的多稳态吸能材料在压缩过程中可极大吸收各个方向冲击振动的能量，保证有效载荷的正常工作。

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

1.一种基于多稳态的吸能单元体，其特征在于，包括两个开口相对布置且具有内凹空间的支撑结构以及连接在两个支撑结构内的两对直角三角形结构；每对直角三角形结构的直角角位通过连接区域连接，两个成对的直角三角形结构中，各自的一个锐角角位与另两个成对的直角三角形结构各自的锐角角位分别通过连接区域进行连接，使每个直角三角形结构用于连接的直角角位和锐角角位之间的直角边合围成一类四边形结构；每个直角三角形结构剩余的一个锐角角位与支撑结构的端部连接；其中，当两个支撑结构合拢后，四个所述直角三角形结构靠拢并适配置于两个支撑结构之间形成的收纳空间中。

2.根据权利要求1所述一种基于多稳态的吸能单元体，其特征在于，所述支撑结构的内凹空间呈V型结构或圆弧形结构。

3.根据权利要求1所述一种基于多稳态的吸能单元体，其特征在于，所述直角三角形结构中，与其他直角三角形结构连接的锐角角位角度为β，与支撑结构连接的锐角角位角度为α，α＜β。

4.根据权利要求3所述一种基于多稳态的吸能单元体，其特征在于，2α＝β。

5.根据权利要求3所述一种基于多稳态的吸能单元体，其特征在于，所述支撑结构内凹空间的角度为γ，γ＝2β。

6.一种基于多稳态的吸能材料，其特征在于，包括多个权利要求1至5任一项所述的吸能单元体，多个所述吸能单元体沿X向或/和Y向依次排布，且相邻两个吸能单元体的支撑结构端部对应连接。

7.根据权利要求6所述一种基于多稳态的吸能材料，其特征在于，X向排布的多个吸能单元体中，相邻两个吸能单元体的支撑结构端部对应连接，Y向相邻两排吸能单元体错位布置且共用一排支撑结构。

8.一种基于多稳态的三维吸能单元体，其特征在于，包括两个权利要求1至5任一项所述的吸能单元体，每个吸能单元体中，两对直角三角形结构的连接位置分别设有第一立体连接件，两个所述吸能单元体交叉布置且共用同一个第一立体连接件。

9.根据权利要求8所述一种基于多稳态的三维吸能单元体，其特征在于，两个吸能单元体的支撑结构交叉位置设有第二立体连接件。

10.一种基于多稳态的三维吸能材料，其特征在于，包括多个权利要求8或9所述的三维吸能单元体，多个所述三维吸能单元体分别沿X向或/和Y向依次排布，且相邻两个三维吸能单元体的支撑结构端部通过第二立体连接件对应连接。