CN113775682B - 一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构，属于先进智能结构技术领域。该结构是在传统圆管的基础上对其局部进行切割，切口方向沿着圆管轴向方向，根据实际应用需求将若干圆管以特定方式阵列。当圆管受到轴向冲击力作用时，圆管的切割段会进行特定方向变形，通过局部屈曲变形实现结构吸能与储能，外力卸除后变形恢复将储存能量释放。本发明结构是在圆管的局部区域引入剪纸结构，通过调节切口的特征参数，使得该结构具有高比吸能率和低峰值荷载特征，并且结构在轴向冲击荷载消失后可以恢复至原始变形，实现结构的可重复利用。该可调控剪纸圆管具有易加工、制造成本低、易于更换等优点，将有望应用于交通装备、航空航天等大型装置的碰撞吸能、储能部件。

Description

一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构
技术领域
本发明属于先进智能结构技术领域，特别涉及一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构。本发明是在圆管的局部区域引入剪纸结构，通过对剪纸段支撑臂数量、剪纸段高度、剪纸段个数等特征参数调控其力学响应，使得该机构具有高比吸能率和低峰值荷载特征，并且机构在轴向冲击荷载卸除后可以恢复至原始变形，实现机构的可重复利用。有望在航天器着陆系统、各类吸能结构或抗冲击工具等领域取得广泛应用。
背景技术
材料和结构的能量吸收行为对结构受撞击后的安全性起着关键的作用，在航空航天、汽车、轨道车辆、海洋平台等实际工程中，由于安全防护需要，对结构能量吸收性能有严格的要求。特别是在航空航天领域，从神舟号飞船返回舱到天宫号月球着陆器，尽管应用了大量的吸能结构抵抗着陆时的巨大冲击，但在过程中仍存在不可避免的硬着陆，对其上航天员生命安全、电子元器件可靠性提出挑战。因此，亟需一款可重复使用的着陆吸能、储能系统。
然而现有吸能盒、管、蜂窝结构等都是通过结构和材料的塑性变形或破坏来实现的能量转换，即结构和材料将大部分动能，通过塑性变形或者其他耗散过程转换为非弹性能，而不是以弹性方式将之储存。这一方面造成了能量的浪费，另一方面使得这类吸能结构无法重复使用，带来较大的成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构，以解决现有的抗冲击结构无法循环利用、能量不可回收等技术问题。
一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构，包括至少一个圆管，圆管上设有至少一个剪纸段；所述剪纸段为一个时，剪纸段与圆管两端头之间为未切割段；剪纸段为多个时，相邻剪纸段之间为未切割段，位于两端的剪纸段与圆管两端头之间也为未切割段；每个剪纸段在圆管侧壁上开有至少两个切口，至少两个切口的两端分别终止于垂直于圆管轴向的两个平面；至少两个切口等间距环绕圆管轴向排列，相邻切口之间的管壁构成一个支撑臂；圆管材料采用超弹性材料以及压缩之后可以恢复变形的弹性材料；圆管通过局部屈曲变形实现结构吸能与储能，外力卸除后变形恢复将储存能量释放。
本结构是对圆管进行局部切割，通过切割将圆管分为未切割段和剪纸段，剪纸段被垂直于圆管轴向的两个平面（两平面间隔一定距离）分割出来，每个剪纸段上的切口均起始并终止于上述两个平面，确保每个剪纸段上的切口相互平行、长度相等。通过上述切割方法，可将剪纸段分成一定数量相互独立的支撑臂，当圆管两端受到外部冲击时，上述结构可以实现圆管的屈曲变形，将冲击能转换为圆管切割部分的变形能储存。当外部冲击力增加时，剪纸段的每个支撑臂会发生相同的屈曲变形，支撑臂中部离轴向最远，而对于未切割段则不发生变形。外力卸除后变形恢复将储存能量释放。
进一步的，可以通过调节剪纸段支撑臂数量、每个圆管剪纸段高度、剪纸段个数来控制结构压缩变形量，从而控制圆管的力-位移响应曲线。
进一步的，本结构不仅限于一个剪纸段在圆管段中部情况，还可增加剪纸段的数量，与未切割段相间组合。
进一步的，每个剪纸段上的切口方向与圆管轴线夹角小于90度大于等于0度。
进一步的，将该圆管作为一个结构单元，对该单元进行阵列排布，可得到适合不同环境工况的机构；所述阵列包含线型、三角型、方型；一组阵列中，不同圆管中剪纸段位置可以相同，亦可以错列布置。
进一步的，所述圆管材料包括但不限于超弹性材料以及压缩之后可以恢复变形的弹性材料，如可以选择聚丙烯、热塑性聚氨酯弹性体。
本发明将剪纸结构与传统吸能圆管相结合，通过剪纸段屈曲变形以达到吸能和储能的作用；通过大量圆管阵列，以延长变形行程；通过对剪纸结构参数的设计，以满足相应的力学响应参数；从而实现稳定的可重复的变形模式。此外，基于圆管的结构单体，材料选用广泛，质量轻，比能量吸收高，各个单体之间相互独立，在实际使用中若部分单体发生损坏可以针对性更换，降低使用成本。
根据以上描述，本发明与现有技术相比具有以下优点：能量可以进行储存、变形行程可根据实际需求进行延长或者缩短、稳定可重复使用性高、质量轻、比能量吸收高、成本低、易于加工安装等。
附图说明
图1 本发明一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构示意图。
图2 实施例1得到的一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构在不同应变下的变形情况数值模拟图。
图3 实施例1得到的一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构在不同参数m下的力-位移响应曲线。
图4 实施例1得到的一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构在参数m=4时不同阶段变形数值模拟图。
图5 实施例2得到的一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能方型阵列机构示意图。
具体实施方式
如附图1所示，本结构是对一等直径D、壁厚t、长度为L的圆管进行局部切割，通过切割将圆管分为三段（两个未切割段和一个剪纸段），如图1所示，中间切割部分为L0的圆管，即剪纸段；未切割段为L1和L2的圆管。对于剪纸段，沿着轴向方向在垂直轴向方向的两个平面（此处两个平面是指图1中L0的上下端两个平面）内进行切割，切割高度均为L0，剪纸段被切割为n个支撑臂，一个支撑臂对应的圆心角为θ，且切割的间距均相等，即图中所示角度θ为定值。圆管展开图如图1左侧所示，剪纸段上的切口方向与圆管轴向平行。通过上述切割方法，可将剪纸段分成一定数量相互独立的支撑臂，一个支撑臂的形状为圆柱形壳。通过此方法对圆管进行切割可以实现圆管的屈曲变形。假设圆管材料为超弹性材料，发生如图2所示的变形时，圆管仍处于弹性变形。图2中已将冲击能转换为圆管切割部分的变形能储存。压缩量分别以0.2L0递增时可以看到，剪纸段的每个支撑臂会发生相同的屈曲变形，支撑臂中部离轴向最远，而对于未切割段则不发生变形。当外载荷卸除后，剪纸段屈曲变形恢复。
根据本发明所述技术方案选取具体实施例进行说明如下：
实施例1：
取不同剪纸段个数m，分别为1、2、3、4。剪纸段和未切割段高度均为20mm，剪纸段支撑臂数量均为12。不同剪纸段个数m分别作用20×m mm的静态位移压缩荷载，得到不同结构的力-位移响应曲线，如附图3所示。附图4给出了数量m=4时对应不同阶段圆管的变形模拟图。对于数量m的剪纸段，其在整个变形过程中会发生m次失稳，即会有m个临界屈曲应力。随着数量m越大，其力-位移响应曲线越长越平缓，意味着其变形行程长，这将为良好的吸能特性结构提供参考。
实施例2：
如附图5所示，取实例1中11×11数量的圆管，进行方型阵列，各圆管间间距相等，圆管置于如图中所示的穿孔平板（可适当增加平板数量）中，用于固定圆管位置。圆管总高、各个圆管间距和剪纸段位置可以根据实际情况任意选择。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构，其特征在于：包括至少一个圆管，圆管上设有多个剪纸段，相邻剪纸段之间为未切割段，位于两端的剪纸段与圆管两端头之间也为未切割段；每个剪纸段在圆管侧壁上开有至少两个切口，至少两个切口的两端分别终止于垂直于圆管轴向的两个平面；至少两个切口等间距环绕圆管轴向排列，相邻切口之间的管壁构成一个支撑臂；圆管材料采用超弹性材料以及压缩之后可以恢复变形的弹性材料；圆管通过局部屈曲变形实现结构吸能与储能，外力卸除后变形恢复将储存能量释放；通过调节每个圆管的剪纸段支撑臂数量、剪纸段高度、剪纸段个数来控制结构压缩变形量，从而控制圆管的力-位移响应曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构，其特征在于，圆管采用聚丙烯、热塑性聚氨酯弹性体制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构，其特征在于，每个剪纸段上的切口方向与圆管轴线夹角小于90度大于等于0度。
4.根据权利要求1~3任一项所述的一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构，其特征在于，包括多个排成阵列的圆管，所述阵列包含线型、三角型、方型。
5.根据权利要求4所述的一种基于剪纸结构的可调控圆管吸能/储能机构，其特征在于，一组阵列中，不同圆管中剪纸段位置相同或错列布置。
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