CN113978045B - 一种折角改进波纹胞元及其夹层结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种折角改进波纹胞元及其夹层结构，折角改进波纹胞包括波纹胞元本体，所述波纹胞元本体的两端设有与所述波纹胞元本体的顶面垂直的折角和中心结构面。折角改进波纹夹层结构包括折角改进波纹胞元，所述折角改进波纹胞元呈矩阵式排布，所述折角改进波纹胞元的上表面或下表面分别粘合有上面板或下面板.本发明折角改进波纹胞元能有效地提升波纹胞元面外能量吸收能力，并且不引入初始峰值力，对于其初始缺陷以及加载速率的敏感性大幅降低；折角改进波纹夹层结构通过采用折角改进波纹胞元的组合形成，可以适用于不同的实际工程应用要求，适宜用于动态载荷作用下的大型结构防护。
Description
技术领域
本发明涉及夹层结构技术领域，尤其是涉及一种折角改进波纹胞元及其夹层结构。
背景技术
夹层结构因其轻量化设计、高吸能、高比强度等特性，已被广泛应用于爆炸、冲击等动态载荷的防护结构设计之中。夹层结构通常由上下面板和多胞夹层组成，夹层结构单元的拓扑结构形式多样，典型的结构形式有蜂窝、波纹、泡沫、点阵、格栅、负泊松比等。波纹夹层结构因其具备较高的比强度、抗弯强度和抗剪强度，兼具加工制造简便，成本较低等优势，被广泛应用到包装工程、交通运输和土木工程等领域的防护结构设计之中。
然而传统波纹夹层结构在压溃过程中表现出非均匀变化的压溃力、不稳定的变形失效模式、对初始缺陷极为敏感并且其力学特性受加载率影响较大，使其不适宜应用于能量吸收结构和动态载荷作用下的结构防护；同时波纹夹层结构面外抗压溃性能和抵抗动态载荷作用的防护性能远次于同相对密度的蜂窝夹层结构。因此为了从不同方面提升波纹夹层结构的力学性能，研究者们尝过将其它结构与波纹夹层结构进行组合，尝试对其进行结构优化，力图保持波纹夹层结构的原有性能优势之余，克服其存在的缺点与不足。比如，对波纹夹层结构的空隙部分填充泡沫铝结构，所得组合结构的能量吸收能力、平均压溃力较波纹夹层结构均有明显提高；对波纹夹层结构的空隙部分填充蜂窝结构，可使组合结构的比压缩强度、能量吸收和临界屈曲载荷大幅提高；在波纹夹层结构空隙部分填充沙、水和剪切增稠液体等，以提高其组合结构的抵抗冲击载荷的防护性能等。
现有波纹结构及改进技术方法的缺点：(1)传统波纹结构的面外压溃应力较低，其力学特性对其初始缺陷与加载速率极为敏感，不适宜用于爆炸冲击等动态载荷下的吸能防护结构。(2)现有波纹夹层结构的改进方法通常会导致结构增重，失去原有波纹夹层结构的轻量化设计的优势，同时额外增加的加工工艺，使结构制造成本提高；(3)现有波纹结构的改进方法通常会提升某一方面的性能，而牺牲波纹结构原有的优点，无法做到两者兼顾。
发明内容
本发明的目的在于提供一种折角改进波纹胞元及其夹层结构，以提升传统波纹夹层结构的力学性能，减小其力学属性以及吸能特性对于结构初始缺陷以及加载速率的敏感性。
根据本发明的一个目的，本发明提供一种折角改进波纹胞元，包括波纹胞元本体，所述波纹胞元本体的两端设有与所述波纹胞元本体的顶面垂直的折角和中心结构面。
进一步地，所述折角和所述中心结构面与所述波纹胞元本体的两端为一体成型结构。
进一步地，所述折角和所述中心结构面通过所述波纹胞元本体的两端刚性折叠形成。
进一步地，所述波纹胞元本体包括所述顶面以及与所述顶面的两侧一体成型的侧壁。
进一步地，所述侧壁与所述顶面之间具有夹角。
进一步地，所述夹角为钝角。
根据本发明的另一个目的，本发明提供一种折角改进波纹夹层结构，包括所述折角改进波纹胞元，所述折角改进波纹胞元呈矩阵式排布，所述折角改进波纹胞元呈矩阵式排布，所述折角改进波纹胞元的上表面或下表面分别粘合有上面板或下面板。
进一步地，所述折角改进波纹胞元呈横向或纵向排列，呈纵向排列的所述折角改进波纹胞元之间设有连接板。
进一步地，所述连接板与相邻的所述折角改进波纹胞元之间为一体成型结构。
本发明的技术方案提供的折角改进波纹胞元及其夹层结构具备更好的抗压溃性能、能量吸能能力和动态载荷作用下的防护性能；折角改进波纹胞元能有效地提升波纹胞元面外能量吸收能力，并且不引入初始峰值力，对于其初始缺陷以及加载速率的敏感性大幅降低；折角改进波纹夹层结构通过采用折角改进波纹胞元的组合形成，可以适用于不同的实际工程应用要求，适宜用于动态载荷作用下的大型结构防护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例折角改进波纹胞元的结构示意图；
图2是本发明实施例波纹胞元本体的结构示意图；
图3是本发明实施例折角改进波纹胞元的原始面板经激光切割生成折痕后，通过压形模形成传统波纹胞元结构的过程示意图；
图4是本发明实施例波纹胞元本体刚性折叠形成折角改进波纹胞元的结构示意图；
图5是本发明折角改进波纹夹层结构的示意图；
图6是本发明实施例传统波纹夹层芯层芯层的结构示意图；
图7是本发明实施例折角改进波纹夹层芯层的结构示意图；
图8是本发明实施例折角改进波纹夹层组合构型I芯层的结构示意图；
图9是本发明实施例折角改进波纹夹层组合构型II芯层的结构示意图；
图10是单个传统波纹胞元结构试件与单个折角改进波纹胞元结构试件在准静态压溃作用下的力与位移图；
图11是传统波纹夹层结构与折角改进波纹夹层结构在3m/s等效质量为73kg的摆锤冲击载荷作用下，前板冲击力时程曲线图；
图12是传统波纹夹层结构与折角改进波纹夹层结构在3m/s等效质量为73kg的摆锤冲击载荷作用下，背板中心位移时程曲线图。
附图标记说明：1-波纹胞元本体、101-顶面、102-侧壁、2-中心结构面、3-折角、4-折角改进波纹胞元、5-上面板、6-下面板、7-连接板、8-激光切割喷头、9-上压形模、10-下压形模、11-原始面板、12-折痕。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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"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一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1-图4所示：
一种折角改进波纹胞元，包括波纹胞元本体1，波纹胞元本体1包括顶面101以及与顶面101的两侧一体成型的侧壁102。侧壁102与顶面101之间具有夹角，夹角为钝角。
波纹胞元本体1的两端设有与波纹胞元本体1的顶面101垂直的折角3和中心结构面2。折角3和中心结构面2与波纹胞元本体1的两端为一体成型结构。具体的，折角3和中心结构面2通过波纹胞元本体1的两端刚性折叠形成。折角3是通过波纹胞元本体1的侧壁102向下折叠而成，中心结构面2是通过波纹胞元本体1的顶面101向下折叠而成。
如图3所示，折角改进波纹胞元由原始面板11经激光切割喷头8生成折痕12后，通过上压形模9和下压形模10压制形成传统波纹胞元结构即波纹胞元本体1。传统波纹胞元结构通过对预先激光切割生成的折痕，进行刚性折叠后形成折角改进波纹胞元；折角改进波纹胞元为波纹胞元本体经刚性折叠自身的结构面，在波纹胞元本体两端形成与顶面垂直的折角和中心结构面。
应当理解的是，本发明折角改进波纹胞元还可以采用3D打印技术、冲压模具等工艺进行折角改进波纹胞元的制造。
实施例2
如图5所示，一种折角改进波纹夹层结构，包括折角改进波纹胞元4，折角改进波纹胞元4呈矩阵式排布，折角改进波纹胞元4的上表面或下表面分别粘合有上面板5或下面板6。
折角改进波纹胞元4呈横向或纵向排列，呈纵向排列的折角改进波纹胞元4之间设有连接板7，连接板7与相邻的折角改进波纹胞元4之间为一体成型结构。
折角改进的波纹胞元4经特定排列和连接方式进行组合，并与夹层结构的上面板5或下面板6粘合后组成折角改进波纹夹层结构。
如图6-图9所示，折角改进的波纹胞元4经特定排列和连接方式进行组合形成折角改进波纹夹层结构的芯层，芯层可对折角改进的波纹胞元4的折角个数、平行排列方式、胞元间连接组合方式等进行优化设计，组合出不同构型的折角改进波纹夹层结构。
图6为传统波纹结构芯层视图，图7为通过对传统波纹结构芯层每列胞元前后进行刚性折叠形成的折角改进波纹夹层的芯层，图8为对传统波纹结构芯层每列胞元进行八处进行刚性折叠形成的折角改进波纹夹层组合构型I的芯层结构，且每列刚性折叠的位置相错半个胞元。图9与图8类似，但是每列胞元均与图8所示的相错半个单元。同理，对于同一列传统波纹结构可进行不同数量的刚性折叠，形成不同个数以及位置的折角改进波纹胞元，从而实现不同的结构强度与吸能属性。
如图10所示，本发明相比传统波纹胞元结构试件，由薄铝板制成的折角改进波纹胞元结构试件在受到面外准静态压溃载荷作用时，结构抗压溃性能和能量吸收能力大幅提升，在位移0-10mm区间，平均压溃力约为同材料，同尺寸传统波纹胞元结构的8倍。
如图11和图12所示，本发明相比传统波纹夹层结构，折角改进波纹夹层结构在受到3m/s等效质量为73kg的摆锤冲击载荷作用时，冲击力峰值有所下降；且背板中心位移的最终变形仅为传统波纹夹层结构的50％左右。
本发明一种折角改进波纹胞元及其夹层结构，加工简便，造价低，为夹层结构构型提供新的选择；折角改进波纹胞元仅在传统波纹结构基础上进行加工折叠，无需额外增加填充物/结构和重量，保持轻量化结构设计之余，能有效地提升波纹胞元面外能量吸收能力，并且不引入初始峰值力，改进后的结构对于其初始缺陷以及加载速率的敏感性大幅降低；折角改进波纹夹层结构的折角个数、平行排列方式、胞元间和层间的组合连接方式均能优化设计，组合出不同的拓扑构型的折角改进波纹夹层结构，以适用于不同的实际工程应用要求，适宜用于动态载荷作用下的大型结构防护。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种折角改进波纹胞元，其特征在于，包括波纹胞元本体，所述波纹胞元本体的两端设有与所述波纹胞元本体的顶面垂直的折角和中心结构面，所述折角和所述中心结构面与所述波纹胞元本体的两端为一体成型结构，所述折角和所述中心结构面通过所述波纹胞元本体的两端刚性折叠形成，所述波纹胞元本体包括所述顶面以及与所述顶面的两侧一体成型的侧壁，所述侧壁与所述顶面之间具有夹角，所述夹角为钝角。
2.一种折角改进波纹夹层结构，其特征在于，包括权利要求1所述的折角改进波纹胞元，所述折角改进波纹胞元呈矩阵式排布，所述折角改进波纹胞元的上表面或下表面分别粘合有上面板或下面板。
3.根据权利要求2所述的折角改进波纹夹层结构，其特征在于，所述折角改进波纹胞元呈横向或纵向排列，呈纵向排列的所述折角改进波纹胞元之间设有连接板。
4.根据权利要求3所述的折角改进波纹夹层结构，其特征在于，所述连接板与相邻的所述折角改进波纹胞元之间为一体成型结构。
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| GR01 | Patent grant | ||
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