CN113883202B - 一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，其包括吸能模块、组装支架和复位推板，吸能模块由多边形单元体阵列排布而成，多边形单元体之间通过榫卯咬合连接，多边形单元体轴线相互平行，与所受荷载方向一致，吸能模块的边缘多边形单元体与组装支架内表面通过榫卯咬合连接，多边形单元体轴线与复位推板的上表面垂直，复位推板边缘与组装支架内表面通过榫卯咬合连接。本发明通过多边形单元体之间榫卯连接的滑移变形，实现在冲击荷载作用下结构的吸能，冲击荷载作用卸除后吸能模块的变形记录了冲击物的形态，并通过复位推板实现吸能模块恢复至原始状态，实现结构的可重复利用，有望应用于交通装备、航空航天等装置的碰撞吸能部件。
Description
技术领域
本发明涉及吸能装置，是一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，属于先进智能结构技术和材料设计制造领域。该吸能装置适用于交通工具、起重装备、航空航天与海洋平台等领域的抗撞击或抗爆炸冲击的防护系统。
背景技术
冲击、撞击及爆炸等事故在交通工具、起重装备、航空航天与海洋平台等领域广泛存在，强冲击荷载会导致结构的破坏、危及乘员的生命安全、造成财产损失。抗冲击吸能装置作为碰撞时重要的吸能元件，能够有效地吸收来自撞击事故的动能，从而起到保护乘员及结构的目的。
自上世纪60年代早期开始，各式各样的吸能设计被广泛应用于抗坠、抗撞吸能环境中。总结现有主要的抗撞击结构，主要有以下几点：通过自身不可恢复变形或破坏起到吸能保护作用，这类结构变形会干涉原始结构，引起二次伤害；通过自身缓冲变形起到吸能保护作用，常见的有液压、橡胶、弹簧式缓冲，这类结构安装方便、复位方便，但液压缓冲造价高、橡胶缓冲耐久性差及承载力有限、弹簧缓冲对应势能释放加速度快且反力大；通过金属薄壁结构轴向屈曲折叠变形起到吸能保护作用，这类结构轴向变形容易对侧向管壁造成破坏，重复利用性差。
发明内容
针对现有吸能装置所存在的问题，本发明旨在提供一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，它为可设计、可复位重复使用、可记忆冲击物形态、可局部单元体更换的吸能装置，具有较高的合理性、经济性、安全性，便于推广使用。
本发明所采用的技术方案为：一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，包括吸能模块、组装支架和复位推板，所述吸能模块由多边形单元体阵列排布而成，所述多边形单元体为偶数等边多边形，所述多边形单元体之间通过榫卯咬合连接，所述多边形单元体轴线相互平行，与所受荷载方向一致；所述吸能模块的边缘多边形单元体与组装支架内表面通过榫卯咬合连接；所述复位推板的边缘与组装支架内表面通过榫卯咬合连接，所述多边形单元体轴线与复位推板的上表面垂直；通过所述多边形单元体之间榫卯连接的滑移变形，实现在冲击荷载作用下结构的吸能，冲击荷载卸除后吸能模块的变形记录了冲击物的形态；通过向上推动所述复位推板实现吸能模块恢复至原始状态，实现结构的可重复利用。
所述多边形单元体轴线相互平行，与所受荷载方向一致，可以承受较高强度的冲击。所述多边形单元体轴线与复位推板的上表面垂直，所述复位推板在人工或自动化控制的作用下将所述变形后的吸能模块恢复至原始状态，所述复位推板完成复位工作后下降到初始位置，实现结构的可重复利用。
进一步的，所述多边形单元体沿着“榫”的长度方向均匀布置有凸起点，沿着“卯”的长度方向均匀布置有内凹点；所述凸起点与内凹点相匹配，凸起点能够嵌入内凹点，实现多边形单元体沿滑移方向的方位限位，从而使得榫卯连接在初始状态或冲击荷载作用下变形状态的连接更加牢固。
在冲击荷载作用下，所述吸能模块的所述多边形单元体之间的榫卯连接发生滑移；所述多边形单元体沿着“榫”长度方向均匀布置的凸起点嵌入相邻多边形单元体沿着“卯”长度方向均匀布置的内凹点，实现多边形单元体沿滑移方向的方位限位；所述吸能模块的变形记录了冲击物的形态特征。
所述多边形单元体、所述复位推板及所述组装支架内表面上“榫”的厚度为d 1，“榫”上凸起点的厚度d 2，所述多边形单元体、所述复位推板及所述组装支架内表面上“卯”的厚度为d 3，“卯”上内凹点的厚度d 4，d 1+d 2大于d 3（实际应用时略大于即可），间隙配合保证多边形单元体之间、多边形单元体与组装支架之间、复位推板与组装支架之间在冲击荷载作用下可以相对运动，在无荷载作用下可以限位不滑出；所述多边形单元体长度L，所述复位推板上表面距离所述组装支架上表面距离H应满足：H≤L，确保任何一个多边形单元体不会因滑移位移过大以致脱离吸能模块；可根据预计冲击能量的大小进行预估初始状态下所述复位推板上表面距离多边形单元体阵列排布而成的吸能模块下表面距离h，h应该满足：h ≤H。
所述复位推板上表面铺设有可更换缓冲材料，避免在冲击荷载作用下所述吸能模块下表面硬着陆致其损坏。
本发明所述方案的原理在于：
基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，整体为由吸能模块、组装支架和复位推板组合而成，核心为由多边形单元体榫卯连接阵列组合的多稳态吸能模块，通过对多边形单元体材料、多边形单元体上“榫”、“卯”、“榫”上凸起点、“卯”上内凹点的尺寸布置、多边形单元体长度及阵列形式进行一系列优化设计，使得吸能模块具有多稳态、可复位、吸能效率高等特性。多边形单元体通过榫卯连接的滑移，达到消耗能量、耗散冲击的作用。通过复位推板的作用，多边形单元体榫卯连接阵列组合的多稳态吸能模块可以恢复到初始状态，可以继续重复利用。
本发明所述方案与现有技术相比的优点在于：
本发明通过对多边形单元体材料、外形、长度及阵列排布方式的设计，实现不同的吸能需求。通过对多边形单元体材料、榫卯及凹凸点布置尺寸等外形设计，达到改变装置强度及其最大承载能力，从而满足不同的冲击强度要求；通过对榫卯及凹凸点布置尺寸设计，使得在吸能模块大变形过程中，吸能模块理想的反作用力维持恒定或几乎恒定，避免过高的减速速率；通过对多边形单元体长度设计，设计吸能模块的位移空间，改变吸能装置的荷载-位移曲线特性，满足较长的冲击荷载所致变形行程，吸能模块将大部分输入动能通过多边形单元体之间榫卯滑移变形转换为非弹性能，避免了冲击物的破坏；通过设计多边形单元体的阵列排布方式及组装支架外形，与冲击物体形状相适应，提高吸能装置的效率，避免冲击物和吸能装置本身的破坏。
本发明通过复位推板的设计，使得吸能装置在受到冲击后，能够方便、快捷地恢复至初始状态，实现可循环利用。
本发明多边形单元体之间基于可拆卸的榫卯连接，实现吸能装置的易于安装及局部损坏后可局部更换而不影响整体结构，具有较高的维护性及经济性。
本发明多边形单元体可选择但不限于采用轻质材料基于3D打印制作，单位重量的能量吸收能力强，即具有比能量吸收高的特性，且3D打印可使其具有较高的制作精度。
本发明具有冲击变形记忆功能，冲击过程中冲击物与吸能模块多边形单元体接触点的位移量会被多边形单元体的滑移变形量所记忆，形成冲击物的轮廓面，为事故分析提供依据。
本发明具有制造成本低、易于加工安装、易于局部替换、可复位循环利用及记录冲击物形态等优点，将有望应用于交通装备、航空航天等装置的碰撞吸能部件。
附图说明
图1 本发明一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构的示意图（主多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、阵列形式为方型）。
图2 本发明一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构的剖面示意图（主多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、阵列形式为方型）。
图3 本发明多边形单元体基于榫卯连接阵列排布而成的吸能模块示意图（主多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、阵列形式为方型）。
图4 本发明多边形单元体示意图（主多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、阵列形式为方型）。
图5 本发明组装支架示意图（主多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、阵列形式为方型）。
图6 本发明复位推板示意图（主多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、阵列形式为方型）。
图7 本发明多边形单元体 “榫”与“卯” 局部示意图（主多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、阵列形式为方型）。
图8 本发明一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构的示意图（主多边形单元体为八边形、次多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、阵列形式为方型）。
图9本发明一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构俯视图（主多边形单元体为八边形、次多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、阵列形式为方型）。
图中序号及名称为：1、吸能模块，101、主多边形单元体，102、次多边形单元体、10101、主多边形单元体上的“榫”，10102、主多边形单元体上的“卯”，10103、主多边形单元体上“榫”上分布的凸起点，10104、主多边形单元体上“卯”上分布的内凹点，2、组装支架，201、组装支架内表面上的“榫”，202、组装支架内表面上的“卯”，203、组装支架内表面“榫”上分布的凸起点，204、组装支架内表面“卯”上分布的内凹点，3、复位推板，301、复位推板边缘上的“榫”，302、复位推板边缘上的“卯”，303、复位推板边缘“榫”上分布的凸起点，304、复位推板边缘“卯”上分布的内凹点。
具体实施方式
本发明具有如下优选的实施方式。一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，包括吸能模块、组装支架和复位推板，所述吸能模块由多边形单元体阵列排布而成，所述多边形单元体为偶数等边多边形，所述多边形单元体之间通过榫卯咬合连接，所述多边形单元体轴线相互平行，与所受荷载方向一致；所述吸能模块的边缘多边形单元体与组装支架内表面通过榫卯咬合连接；所述复位推板的边缘与组装支架内表面通过榫卯咬合连接，所述多边形单元体轴线与复位推板的上表面垂直；通过所述多边形单元体之间榫卯连接的滑移变形，实现在冲击荷载作用下结构的吸能，冲击荷载卸除后吸能模块的变形记录了冲击物的形态；通过向上推动所述复位推板实现吸能模块恢复至原始状态，实现结构的可重复利用。
所述多边形单元体包括主多边形单元体与次多边形单元体；所述主多边形单元体是偶数正多边形，主多边形单元体“榫”和“卯”的边数相同且间隔分布，保证主多边形单元体通过榫卯连接实现阵列排布；所述主多边形单元体为正四边形、正六变形时，不存在次多边形单元体，所述主多边形单元体的边数大于等于八时，存在次多边形单元体；所述次多边形单元体的外形由主多边形单元体阵列排布后的间隙形状确定，所述次多边形单元体的边长与主多边形单元体的边长相等，所述次多边形单元体“榫”和“卯”的边数相同且间隔分布，保证次多边形单元体通过榫卯与主多边形单元体连接。
所述多边形单元体沿着“榫”的长度方向均匀布置有凸起点，沿着“卯”的长度方向均匀布置有内凹点；所述凸起点与内凹点相匹配，凸起点能够嵌入内凹点，实现多边形单元体沿滑移方向的方位限位，从而使得榫卯连接在初始状态或冲击荷载作用下变形状态的连接更加牢固。
所述多边形单元体沿着“榫”长度方向均匀布置的凸起点采用不同跨高比的球面或圆柱面，确保在冲击荷载作用及复位推板作用下凸起点能够从内凹点顺利滑出滑入；沿着“卯”长度方向均匀布置的内凹点的外形与凸起点相匹配；所述多边形单元体采用的材料在满足强度刚度要求的前提下具有弹性变形能力，确保在不影响多边形单元体初始形态的前提下，冲击荷载作用及复位推板作用下沿着“榫”长度方向均匀布置的凸起点可以从沿着“卯”长度方向均匀布置的内凹点顺利滑出滑入，以实现结构的可复位重复使用。
所述多边形单元体阵列排布包含线型、三角型、方型、多边型、圆型；所述组装支架的轮廓外形与所述多边形单元体阵列排布所形成的外形相匹配。
所述组装支架内表面沿着其边长均匀布置有与所述多边形单元体及所述复位推板四周“榫”、“卯”相匹配的“卯”“榫”；所述组装支架内表面沿着“榫”的长度方向均匀布置有凸起点，沿着“卯”的长度方向均匀布置有内凹点；所述复位推板四周沿着“榫”的长度方向均匀布置有凸起点，沿着“卯”的长度方向均匀布置有内凹点；所述组装支架内表面“榫”与“卯”上布置的凸起点及内凹点，与所述多边形单元体、所述复位推板四周沿着“榫”与“卯”长度方向均匀布置的凸起点及内凹点具有相同的分布间距及匹配度。
下面结合附图和具体试例对本发明进行进一步说明。
实施例1
查阅图1到图7，以主多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为“圆柱面、多边形阵列排布为方型为例的试例。
如图1、图2所示，本发明组合结构包括吸能模块1、组装支架2和复位推板3组成。如图2所示，所述多边形单元体轴线相互平行，与冲击方向一致，与复位推板3的上表面垂直。如图3所示，所述吸能模块1由多边形单元体101基于榫卯连接阵列排布而成。多边形为四边形单元，如图4所示，两个对称面上布置有相同的“榫”或 “卯”，“榫”与“卯”的数量相同。“榫”10101上均匀布置有圆柱凸起点10103，“卯”10102上均匀布置有与凸起点匹配的内凹点10104。组装支架，如图5所示，内表面布置有与多边形单元体的榫卯、复位推板的榫卯相匹配的“榫”201与“卯”202；“榫”201上均匀布置有与多边形单元体的“卯”10102上内凹点10104、图6中复位推板的“卯”302上内凹点304相匹配的凸起点203；“卯”202上均匀布置有与多边形单元体的“榫”10101上凸起点10103、复位推板的“榫”301上凸起点303相匹配的内凹点204。
在初步设计时，依据冲击物体的具体情况设计所述吸能模块多边形单元体的形状、尺寸、材料及阵列排布方式。按照上述方式将吸能模块与复位推板安置在组装支架上。在冲击荷载作用时，多边形单元体通过单元之间的榫卯滑移完成吸能作用，且吸能模块的变形记忆了冲击物形态。
当冲击试验完成后，通过手动或自动化控制复位推板将多边形单元体组成的吸能模块推至初始形态，复位推板恢复至原始位置，从而达到循环使用的目的。
实施例2
查阅图8到图9，以主多边形单元体为八边形、次多边形单元体为四边形、“榫”上凸起点为圆柱面、多边形阵列排布为方型为例的试例。
如图8所示，吸能模块由主多边形单元体101与次多边形102通过榫卯连接阵列而成。次多边形单元体102穿插于主多边形单元体阵列排布后的间隙，次多边形单元体102的外形由主多边形单元体101阵列后的间隙形状确定为四边形，次多边形单元体102的边长与主多边形单元体101的边长相等。如图9所示，次多边形单元体102的“榫”、“卯”、凸起点、内凹点与主多边形单元体101的 “卯”、“榫”、内凹点、凸起点相匹配。实施例2的工作原理同实施例1。
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 (8)
1.一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，其特征在于：包括吸能模块、组装支架和复位推板，所述吸能模块由多边形单元体阵列排布而成，所述多边形单元体为偶数等边多边形，所述多边形单元体之间通过榫卯咬合连接，所述多边形单元体轴线相互平行，与所受荷载方向一致；所述吸能模块的边缘多边形单元体与组装支架内表面通过榫卯咬合连接；所述复位推板的边缘与组装支架内表面通过榫卯咬合连接，所述多边形单元体轴线与复位推板的上表面垂直；通过所述多边形单元体之间榫卯连接的滑移变形，实现在冲击荷载作用下结构的吸能，冲击荷载卸除后吸能模块的变形记录了冲击物的形态；通过向上推动所述复位推板实现吸能模块恢复至原始状态，实现结构的可重复利用；
所述多边形单元体包括主多边形单元体与次多边形单元体；所述主多边形单元体是偶数正多边形，主多边形单元体“榫”和“卯”的边数相同且间隔分布，保证主多边形单元体通过榫卯连接实现阵列排布；所述主多边形单元体为正四边形、正六变形时，不存在次多边形单元体，所述主多边形单元体的边数大于等于八时，存在次多边形单元体；所述次多边形单元体的外形由主多边形单元体阵列排布后的间隙形状确定，所述次多边形单元体的边长与主多边形单元体的边长相等，所述次多边形单元体“榫”和“卯”的边数相同且间隔分布，保证次多边形单元体通过榫卯与主多边形单元体连接；
所述多边形单元体沿着“榫”的长度方向均匀布置有凸起点，沿着“卯”的长度方向均匀布置有内凹点；所述凸起点与内凹点相匹配，凸起点能够嵌入内凹点，实现多边形单元体沿滑移方向的方位限位，从而使得榫卯连接在初始状态或冲击荷载作用下变形状态的连接更加牢固。
2.根据权利要求1所述的一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，其特征在于：所述多边形单元体沿着“榫”长度方向均匀布置的凸起点采用不同跨高比的球面或圆柱面，确保在冲击荷载作用及复位推板作用下凸起点能够从内凹点顺利滑出滑入；沿着“卯”长度方向均匀布置的内凹点的外形与凸起点相匹配；所述多边形单元体采用的材料在满足强度刚度要求的前提下具有弹性变形能力，确保在不影响多边形单元体初始形态的前提下，冲击荷载作用及复位推板作用下沿着“榫”长度方向均匀布置的凸起点可以从沿着“卯”长度方向均匀布置的内凹点顺利滑出滑入，以实现结构的可复位重复使用。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，其特征在于：所述多边形单元体使用3D打印制作完成。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，其特征在于：所述多边形单元体阵列排布包含线型、三角型、方型、多边型、圆型；所述组装支架的轮廓外形与所述多边形单元体阵列排布所形成的外形相匹配。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，其特征在于：所述组装支架内表面沿着其边长均匀布置有与所述多边形单元体及所述复位推板四周“榫”、“卯”相匹配的“卯”“榫”；所述组装支架内表面沿着“榫”的长度方向均匀布置有凸起点，沿着“卯”的长度方向均匀布置有内凹点；所述复位推板四周沿着“榫”的长度方向均匀布置有凸起点，沿着“卯”的长度方向均匀布置有内凹点；所述组装支架内表面“榫”与“卯”上布置的凸起点及内凹点，与所述多边形单元体、所述复位推板四周沿着“榫”与“卯”长度方向均匀布置的凸起点及内凹点具有相同的分布间距及匹配度。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，其特征在于：所述多边形单元体长度L，所述复位推板上表面距离所述组装支架上表面距离H应满足：H≤L，确保任何一个多边形单元体不会因滑移位移过大以致脱离吸能模块；可根据预计冲击能量的大小进行预估初始状态下所述复位推板上表面距离多边形单元体阵列排布而成的吸能模块下表面距离h，h应该满足：h≤H。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，其特征在于：所述复位推板上表面铺设有可更换缓冲材料，避免在冲击荷载作用下所述吸能模块下表面硬着陆致其损坏。
8.根据权利要求1或2所述的一种基于榫卯连接的可复位多稳态吸能组合结构，其特征在于：所述复位推板通过手动或自动化控制实现向上推动及向下复位。
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