CN114267097A

CN114267097A - 一种胞元填充式多层球结构及数据记录器

Info

Publication number: CN114267097A
Application number: CN202111481875.4A
Authority: CN
Inventors: 郑会龙; 陈晓奎; 杨肖芳; 张谭; 康振亚; 习常清; 张中亚
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2022-04-01

Abstract

本申请提供了一种胞元填充式多层球结构及数据记录器，属于数据记录器技术领域，胞元填充式多层球结构具体包括壳本体，所述壳本体内部设有用于容纳记录单元的安全空间；所述壳本体包括至少两层由外至内设置的壳层，相邻所述壳层之间设有间隙，所述间隙内设有胞元结构，所述壳本体的最内壳层形成所述安全空间。还提供一种数据记录器，数据记录器采用胞元填充式多层球结构，安全空间内设置有记录单元，通过本申请的处理方案，降低体积和重量的同时提高了整体结构的均匀性、强韧性和能量吸收性能，能保证整体结构的抗爆炸、抗冲击性能，能有效保护内部的安全空间；本申请的数据记录器可漂浮在水面，提高了找回几率。

Description

一种胞元填充式多层球结构及数据记录器

技术领域

本申请涉及数据记录器技术领域，尤其涉及一种胞元填充式多层球结构及数据记录器。

背景技术

数据记录器俗称“黑匣子”，在世界各国相关条例的强制要求下，飞机都必须安装数据记录器，主要的目的是用于事故原因的分析。

现用的主流数据记录器体积约300×200×150mm³，重量约20kg，可见其又大又重。外壳通常采用0.64cm厚的不锈钢或钛合金制成，2.54cm厚的高温绝缘体安放在外壳中。最里面的记录单元CSMU(坠毁生存记忆单元)使用三层材料，将存储数字信息的内存片隔离，并保存起来，即使是这样的层层保护，仍然在有些空难中数据记录器遭到损坏。

因此，需要研发一种体积更小、质量更轻、保护能力更强的新型数据记录器，用于满足轻量化的发展需求。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种胞元填充式多层球结构及数据记录器，至少部分解决现有技术中存在的数据记录器体积大，重量大的问题，提升安全性。

第一方面，本申请实施例提供一种胞元填充式多层球结构，包括壳本体，所述壳本体内部设有用于容纳记录单元的安全空间；所述壳本体包括至少两层由外至内设置的壳层，相邻所述壳层之间设有间隙，所述间隙内设有胞元结构，所述壳本体的最内壳层形成所述安全空间。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，各所述间隙内的所述胞元结构均为均匀填充，各方向抗冲击性能相同。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，同一所述间隙内的所述胞元结构根据所述胞元填充式多层球结构的受力分布进行变密度填充。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述胞元结构的填充密度由外层到内层逐渐增大。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述壳层厚度由外层到内层逐渐增大，层间间隙距离由外层到内层逐渐减小。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述胞元结构的形状包括点阵结构、蜂巢、开孔泡沫和闭孔泡沫中的一种或者多种。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述壳本体的结构为球形结构、椭球形结构、长方体结构或者蛋壳形结构。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述壳层和所述胞元结构的材料包括钛合金、铝、不锈钢、尼龙、PLA或红蜡。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述壳本体和所述胞元结构的材料的抗拉强度范围为50MPa-2000MPa。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述壳本体和所述胞元结构的材料的密度小于或等于10g/cm³。

第二方面，本申请实施例还提供一种数据记录器，采用如上述第一方面任一实施例所述的胞元填充式多层球结构，所述胞元填充式多层球结构的所述安全空间用于放置记录单元。

根据本申请实施例的一种具体实现方式，所述数据记录器的整体密度小于水的密度，所述壳本体的最外壳层采用密封结构。

有益效果

本申请实施例中的胞元填充式多层球结构及数据记录器，通过设置间隙及间隙内填充胞元结构，使该结构具有高均匀性、高强韧性、高能量吸收等优良的力学性能。通过设置外层较疏的胞元结构，在冲击载荷下更易发生动态失稳，发生大的弹塑变形，进而吸收大部分冲击能量，内层较密的胞元结构具有更高强度和刚度，降低临近的安全空间发生较大变形的风险，能保证整体结构的抗爆炸、抗冲击性能，能有效保护内部的安全空间。

通过将最外层壳层设置为密封不渗水结构，通过选择合适的轻质材料，调整内部安全空间的大小、层间间隙距离和每层间隙内的胞元填充密度，控制球型数据记录器整体密度小于水的密度，则其落入水域后可以漂浮在水面，本发明可降低数据记录器事故后的搜寻难度，尤其提高了落入海域的找回几率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1为根据本发明一实施例的胞元填充式多层球结构的剖视图；

图2为根据本发明一实施例的胞元填充式多层球结构的局部放大图。

图中：1、壳层；2、安全空间；3、间隙；4、胞元结构。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

第一方面，本申请实施例提供了一种胞元填充式多层球结构，主要用于数据记录器中，参照图1，包括壳本体，所述壳本体内部设有用于安装记录单元的安全空间2；所述壳本体包括至少两层由外至内设置的壳层1，相邻所述壳层1之间设有间隙3，所述间隙3内设有胞元结构4，所述壳本体的最内壳层1形成所述安全空间2，安全空间2中用于放置记录单元，本实施例中的胞元填充式多层球结构可有效保护记录单元，根据实际需求，该安全空间2可以设计成不同的容量空间。

在一个实施例中，每层间隙3内胞元结构4均是均匀填充，实现各方向相同的抗冲击性能，应对方向随机的碰撞情况；最内层壳层1的内壁形成所述安全空间2。本实施例中的胞元填充式多层球结构主要适用于飞机数据记录器，飞机落地时没有明确的受力方向，因此采用球型和均匀填充的胞元结构4可以提升其受力均匀性，且具有高强韧性、高能量吸收等优良的力学性能，抗爆炸、抗冲击性能强，能有效保护安全空间2。

在另一个实施例中，根据实际的应用场景，判断所述胞元填充式多层球结构的受力分布，使同一间隙3内的所述胞元结构4为变密度填充。例如，当通过分析计算得出一个方向受到的力较大时，可将在此方向上的间隙3内的胞元结构4的填充密度增大，其他位置的胞元结构4的填充密度以适应所在位置承受力的要求为准，也即在同一层间隙3内的胞元结构4得填充密度是不同，受力大的位置，填充密度大，受力小的位置，填充密度小，以满足整体的抗冲击性能。在本实施例中，如可应用于汽车或者火车等，碰撞时一般为水平面方向，因此可加强胞元填充式多层球结构的特定区域强度，采用变密度填充胞元结构4的形式，以满足在特定区域的抗冲击性能。并且，还可以将外壳在水平方向上增加强度(例如采用加强筋等结构或者增加其在水平方向的厚度等方式)，以保证外壳能够承受更大的水平冲力。

在一个优选的实施例中，所述胞元结构4的填充密度由外层到内层逐渐增大，所述壳层厚度由外层到内层逐渐增大，层间间隙距离由外层到内层逐渐减小，参照图2。胞元结构4采用点阵结构。具体的，每层间隙3内的点阵结构均匀填充，位置越靠外的间隙3填充点阵结构密度越疏，位置越靠内的间隙3填充点阵结构密度越密，所述最内层壳层1的内壁形成所述安全空间。外层较疏的点阵布局在冲击载荷下更易发生动态失稳，发生大的弹塑变形，进而吸收大部分冲击能量。内层较密的点阵布局具有更高强度和刚度，降低临近的安全空间发生较大变形的风险，本发明能保证整体结构的抗爆炸、抗冲击性能，有效保护内部安全空间。

进一步的，所述胞元结构4的形式包括点阵结构、蜂巢、开孔泡沫和闭孔泡沫中的一种或者多种，优选的，胞元结构4的形式为点阵结构或蜂巢，参照图2所示，图中的胞元结构4采用点阵结构形式，点阵结构均匀排列，可有效增强整体结构的强度和抗冲击性能均匀性。

进一步的，本实施例中壳本体的结构为球形结构、椭球形结构、长方体结构或者蛋壳形结构，其中，球形结构的球形为抗冲击性能最均匀的形状，椭球形、长方体结构或者蛋壳形根据应力分布情况进行匹配。

进一步的，本实施例中壳本体的材料为金属或非金属，所述胞元结构4的材料为金属或非金属，为了简化制备工艺和提升结构整体性能，壳本体和胞元结构4可选用同种材料进行制备，随着制备工艺的发展，壳本体和胞元结构4还可选用不同材料进行制备。

优选的，所述金属材料包括钛合金、铝或不锈钢，所述非金属材料包括尼龙、PLA或红蜡。由于飞机数据记录器对强度要求高，因此壳本体和胞元结构4采用金属材料；对于旋翼等小型、低空、慢速的无人机，由于质量要求要轻、强度要求不高，壳本体和胞元结构4采用塑料即可。

为了保证胞元填充式多层球结构的抗冲击性能以及减少该结构的重量，所述壳本体和所述胞元结构4的材料的抗拉强度范围为50MPa-2000MPa，所述壳本体和所述胞元结构4的材料的密度小于或等于10g/cm³。

上述实施例中的胞元填充式多层球结构可采用3D打印技术来制备，各个壳层1的厚度根据应用情况来定，例如，当用于飞机中时，实验表明，壳层1的厚度可设置为2-3mm；或者当用于汽车中时，可设置为1-2mm。间隙3的尺寸大小和3D打印工艺和胞元结构4的设计有关。

第二方面，本申请实施例还提供一种数据记录器，采用如上述第一方面任一实施例所述的胞元填充式多层球结构，所述胞元填充式多层球结构包括壳本体，所述壳本体内部设有安全空间2，

所述壳本体包括至少两层由外至内设置的壳层1，相邻所述壳层1之间设有间隙3，所述间隙3内设有胞元结构4，所述壳本体的最内壳层1形成所述安全空间，所述安全空间2用于放置记录单元。

优选的，为了制备可漂浮式数据记录器，数据记录器的整体密度小于水的密度。考虑到当胞元填充式多层球结构应用于飞机或者轮船中时，当发生事故使胞元填充式多层球结构落入水中后，为了降低数据记录器的搜寻难度，可将胞元填充式多层球结构设置为可漂浮于水面的结构，因此，胞元填充式多层球结构的最外壳层1需要设置为密封不渗水，且数据记录器的整体密度小于水的密度，当数据记录器落入水中发生碰撞和承受水压时具有足够强度，依旧保持密封状态，提高了数据记录器的安全性能。需要解释的是，由于轮船载荷能力较高，因此，数据记录器的整体尺寸和重量并不做特殊限定，以其落入水中后可以实现漂浮为设计依据。

壳层1和胞元结构4可选择合适的轻质材料，通过调整内部安全空间2的大小、壳层1间的间隙3距离和每层间隙3内的胞元结构4的填充密度，从而调整数据记录器的整体密度，使其小于水的密度。

本发明提供的实施例，胞元填充式多层球结构及数据记录器，通过设置间隙及间隙内填充胞元结构，使该结构具有高均匀性、高强韧性、高能量吸收等优良的力学性能。通过设置外层较疏的胞元结构，在冲击载荷下更易发生动态失稳，发生大的弹塑变形，进而吸收大部分冲击能量，内层较密的胞元结构具有更高强度和刚度，降低临近的安全空间发生较大变形的风险，能保证整体结构的抗爆炸、抗冲击性能，能有效保护内部的安全空间。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种胞元填充式多层球结构，包括壳本体，其特征在于，所述壳本体内部设有用于容纳记录单元的安全空间；所述壳本体包括至少两层由外至内设置的壳层，相邻所述壳层之间设有间隙，所述间隙内设有胞元结构，所述壳本体的最内壳层形成所述安全空间。

2.根据权利要求1所述的胞元填充式多层球结构，其特征在于，各所述间隙内的所述胞元结构均为均匀填充，各方向抗冲击性能相同。

3.根据权利要求1所述的胞元填充式多层球结构，其特征在于，同一所述间隙内的所述胞元结构根据所述胞元填充式多层球结构的受力分布进行变密度填充。

4.根据权利要求1所述的胞元填充式多层球结构，其特征在于，所述胞元结构的填充密度由外层到内层逐渐增大。

5.根据权利要求1所述的胞元填充式多层球结构，所述壳层厚度由外层到内层逐渐增大，所述间隙距离由外层到内层逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的胞元填充式多层球结构，其特征在于，所述胞元结构的形状包括点阵结构、蜂巢、开孔泡沫和闭孔泡沫中的一种或者多种。

7.根据权利要求1所述的胞元填充式多层球结构，其特征在于，所述壳本体的结构为球形结构、椭球形结构、长方体结构或者蛋壳形结构。

8.根据权利要求1所述的胞元填充式多层球结构，其特征在于，所述壳层和所述胞元结构的材料包括钛合金、铝、不锈钢、尼龙、PLA或红蜡。

9.根据权利要求1-8任一项所述的胞元填充式多层球结构，其特征在于，所述壳本体和所述胞元结构的材料的抗拉强度范围为50MPa-2000MPa。

10.根据权利要求1-8任一项所述的胞元填充式多层球结构，其特征在于，所述壳本体和所述胞元结构的材料的密度小于或等于10g/cm³。

11.一种数据记录器，其特征在于，采用如权利要求1-10任一项所述的胞元填充式多层球结构，所述胞元填充式多层球结构的所述安全空间用于放置记录单元。

12.根据权利要求11所述的数据记录器，其特征在于，所述数据记录器的整体密度小于水的密度，所述壳本体的最外壳层采用密封结构。