CN114379488B - 一种仿生梯度多级管状结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及吸能结构技术领域，尤其涉及一种仿生梯度多级管状结构。该仿生梯度多级管状结构以树枝结构为生物原型，设计得到具有梯度和多级结构的管状结构，使设计获得的仿生梯度多级管状结构具有更合理的材料分布，在冲击载荷作用下拥有更加稳定的变形模式，增强了结构的稳定性；并且能够有效地降低结构在受冲击载荷作用时产生的初始峰值力，提高吸能能力。在同等质量下，可以根据实际工程需要，通过改变结构层级和梯度参数对结构进一步的优化设计，使结构的材料分布更加合理，从而获得期望的吸能能力。

Description

一种仿生梯度多级管状结构
技术领域
本发明涉及吸能结构技术领域，尤其涉及一种仿生梯度多级管状结构。
背景技术
薄壁管状结构质量轻、形式简单、制造成本低，且具有较高的吸能效率，被广泛用于汽车、轨道交通等领域的抗冲击安全防护装置。然而，随着新能源汽车、高速列车的快速发展，人们对结构轻量化和冲击安全防护要求也越来越高，传统薄壁管状结构(如方管、圆管等)在不增加材料的情况下，无法兼顾实现提高结构吸能效率以及具有理想的峰值力，已逐渐难以满足发展需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种仿生梯度多级管状结构，解决现有技术中存的问题。
(二)技术方案
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种仿生梯度多级管状结构，包括同心且同向间隔设置的至少三个正六边形管，由内至外依次为零级管至N级管，在零级管内设有六个零级板，六个零级板的一端在零级管的中心连接，另一端分别与零级管的六个角连接，零级板的厚度由零级管的中心至零级管的管壁方向平滑连续减小；
相邻的两个正六边形管之间形成一个容纳空间，由内至外依次为一级容纳空间至N级容纳空间，在一级容纳空间至N级容纳空间中，每级容纳空间内均设有多个分叉板，且由内至外，位于外侧容纳空间内的分叉板的数量是内侧相邻容纳空间内分叉板数量的两倍，在每级容纳空间内，两个分叉板为一组，每组中两个分叉板的一端与位于外侧的六边形管连接，另一端相交且与位于内侧的六边形管连接，其中，位于一级容纳空间内的每组分叉板的相交端与一个零级板相对应，使一组分叉板与一个相对应的零级板形成横截面为Y形的结构，位于一级容纳空间外侧的各级容纳空间内的每组分叉板的相交端，与位于内侧相邻容纳空间内的一个分叉板相对应，使位于外侧容纳空间内的一组分叉板，与位于内侧相邻容纳空间内的一个相对应分叉板形成横截面为Y形的结构；
分叉板的厚度由内侧端至外侧端平滑连续减小，其中，内侧端是与位于内侧的正六边形管连接的一端，外侧端是与位于外侧的正六边形管连接的一端。
在第二种实现方式中，仿生梯度多级管状结构包括三个正六边形管，由内至外依次为零级管、一级管和二级管，一级管和零级管之间的容纳空间为一级容纳空间，在一级容纳空间内设置的分叉板为一级分叉板，二级管和一级管之间的容纳空间为二级容纳空间，在二级容纳空间内设置的分叉板为二级分叉板。
在第二种实现方式的基础上：
优选地，一级分叉板的最大厚度等于零级板的最小厚度，二级分叉板的最大厚度等于一级分叉板的最小厚度。
优选地，零级管的壁厚等于零级板的最小厚度；
一级管的壁厚等于一级分叉板的最小厚度；
二级管的壁厚等于二级分叉板的最小厚度。
优选地，仿生梯度多级管状结构满足以下关系：
其中，λ1为零级管与二级管的边长比，λ2为一级管与二级管的边长比，α为每组一级分叉板的夹角，β为每组二级分叉板的夹角。
第二方面，本发明还提供了另一种仿生梯度多级管状结构，包括同心且同向间隔设置的两个正六边形管，由内至外依次为零级管和一级管，在零级管内设有六个零级板，六个零级板的一端在零级管的中心连接，另一端分别与零级管的六个角连接，零级板的厚度由零级管的中心至零级管的管壁方向平滑连续减小；
一级管和零级管之间的容纳空间为一级容纳空间，在一级容纳空间内设置多个一级分叉板，一级分叉板的数量是零级板的两倍，两个一级分叉板为一组，每组中两个一级分叉板的一端与一级管连接，另一端相交且与零级管连接，且连接处与零级板相对应，使每组一级分叉板与相对应的零级板形成横截面为Y形的结构；
一级分叉板的厚度由内侧端至外侧端平滑连续减小，其中，内侧端是与零级管连接的一端，外侧端是与一级管连接的一端。
在第二方面中，优选地，一级分叉板的最大厚度等于零级板的最小厚度。
优选地，零级管的壁厚等于零级板的最小厚度；
一级管的壁厚等于一级分叉板的最小厚度。
优选地，仿生梯度多级管状结构满足以下关系：
其中，λ1为零级管与一级管的边长比，α为每组一级分叉板的夹角。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的仿生梯度多级管状结构以树枝结构为生物原型，设计得到具有梯度和多级结构的管状结构，使设计获得的仿生梯度多级管状结构具有更合理的材料分布，在冲击载荷作用下拥有更加稳定的变形模式，增强了结构的稳定性；并且能够有效地降低结构在受冲击载荷作用时产生的初始峰值力，提高吸能能力。在同等质量下，可以根据实际工程需要，通过改变结构层级和梯度参数对结构进一步的优化设计，使结构的材料分布更加合理，从而获得期望的吸能能力。
附图说明
本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。
图1是本发明实施例一中一种仿生梯度多级管状结构的示意图；
图2是图1中仿生梯度多级管状结构的端面方向的正视示意图；
图3是图1中零级管和零级板的结构示意图；
图4是本发明实施例一中一种零级板的结构示意图；
图5是本发明实施例二中一种仿生梯度多级管状结构的示意图；
图6是图5中仿生梯度多级管状结构的端面方向的正视示意图。
图中：1：零级管；2：零级板；3：一级管；4：一级分叉板；5：二级管；6：二级分叉板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
实施例一
参见图1和图2所示，本发明实施例提供的仿生梯度多级管状结构包括两个同心且同向间隔设置的正六边形管(横截面为正六边形的管)，位于内侧的记为零级管1，位于外侧的记为一级管3，与工程常见的方管相比，六边形管具有更加稳定的变形模式和更好的吸能能力。需要说明的是，两个正六边形管同心且同向设置是指两个管的(横截面)正六边形的外接圆为同心圆，两个正六边形布置方向相同，使两个正六边形之间相对的各边平行，例如，零级管1的横截面正六边形的上侧边与一级管3的横截面正六边形的上侧边平行。
参见图3所示，在零级管1内设有六个零级板2，六个零级板2的其中一端分别在零级管1的六个角处与零级管1连接，另一端在零级管1的中心处连接，即从零级管1的中心延至一级管3的内角处。零级板2的高度与零级管1的轴向长度相同。
参见图3和图4所示，每个零级板2的厚度由零级管1的中心至零级管1的管壁方向平滑连续减小(即呈梯度减小变化)。其中，零级板2朝向零级管1中心的一端的厚度t01为零级板2的最大厚度，背离中心的一端的厚度t02为零级板2的最小厚度。零级板2的长度表示为L0，零级板2的梯度g0表示为g0＝(t01-t02)/L0。
参见图1和图2所示，由于零级管1和一级管3之间为同心且同向间隔设置，因此，在一级管3与零级管1之间形成一个容纳空间，记为一级容纳空间，在该一级容纳空间内设有多个一级分叉板4，具体地，一级分叉板4的数量是零级板2的两倍，共十二个一级分叉板4。每两个一级分叉板4为一组，该组中两个一级分叉板4的一端相交且与零级管1的角外侧(与零级板2相对应的位置)连接，每组一级分叉板4与一个相对应的零级板2形成一个横截面为Y形的结构。一级分叉板4的厚度由零级管1至一级管3方向平滑连续减小，一级分叉板4与零级管1连接的一端的厚度t11为一级分叉板4的最大厚度，一级分叉板4与一级管3连接的一端的厚度t12为一级分叉板4的最小厚度。
在一个优选实施方式中，一级分叉板4的最大厚度t11等于零级板2的最小厚度t02。使一级分叉板4与零级板2的梯度连续变化，便于根据需要调整设计参数。
在一个优选实施方式中，一级管3的壁厚等于一级分叉板4的最小厚度t12。零级管1的壁厚等于零级板2的最小厚度t02。
一级分叉板4的长度表示为L1，一级分叉板4的梯度g1表示为g1＝(t11-t12)/L1。在本实施例中，零级管1和一级管3的边长(各自横截面六边形的边长)分别记为l0、l1，零级管1和一级管3的长度比λ1＝l0/l1，为了避免相邻组之间的一级分叉板4相交，零级管1和一级管3的长度比λ1和同一组中两个一级分叉板4的夹角α满足以下关系：
实施例二
参见图5和图6所示，本实施例仿生梯度多级管状结构包括三个同心且同向间隔设置的正六边形管，由内至外依次为零级管1、一级管3和二级管5，一级管3以及一级管3与零级管1之间的结构在实施例一中已进行描述，在本实施例中可参考实施例一中的描述，在此不再赘述。在二级管5与一级管3之间形成的为二级容纳空间，该二级容纳空间内设有多个分叉板，将二级容纳空间内的分叉板记为二级分叉板6，具体地，二级分叉板6的数量是一级分叉板4的两倍，共二十四个二级分叉板6。每两个二级分叉板6为一组，每组中两个二级分叉板6的一端相交且与一级管3上与一级分叉板4相对应的位置处连接，每组中两个二级分叉板6的相交端夹角为β，每组二级分叉板6与一个相对应的一级分叉板4形成一个横截面为Y形的结构。
二级分叉板6的厚度由一级管3至二级管5方向平滑连续减小，二级分叉板6与一级管3连接的一端的厚度t21为二级分叉板6的最大厚度，二级分叉板6与二级管5连接的一端的厚度t22为二级分叉板6的最小厚度。
在一个优选实施方式中，二级分叉板6的最大厚度t21等于一级分叉板4的最小厚度t12。一级分叉板4的最大厚度t11等于零级板2的最小厚度t02。使二级分叉板6、一级分叉板4与零级板2的梯度连续变化，便于根据需要调整设计参数。
在一个优选实施方式中，一级管3的壁厚等于一级分叉板4的最小厚度t12。二级管5的壁厚等于二级分叉板6的最小厚度t22。零级管1的壁厚等于零级板2的最小厚度t02。
二级分叉板6的长度表示为L2，二级分叉板6的梯度g2表示为g2＝(t21-t22)/L2。
本实施例中，零级管1、一级管3和二级管5的边长(各自横截面六边形的边长)分别记为l0、l1和l2，则零级管1和一级管3的长度比λ1＝l0/l2，一级管3和二级管5的长度比λ2＝l1/l2。
为了避免相邻组之间的一级分叉板4相交以及相邻组之间的二级分叉板6相交，满足以下关系：
其中，λ1为零级管与二级管的边长比，λ2为一级管与二级管的边长比，α为每组一级分叉板的夹角，β为每组二级分叉板的夹角。
综上，本申请中仿生梯度多级管状结构以树枝结构为生物原型，设计得到具有梯度和多级结构的管状结构，使设计获得的仿生梯度多级管状结构具有更合理的材料分布，在冲击载荷作用下拥有更加稳定的变形模式，增强了结构的稳定性；并且能够有效地降低结构在受冲击载荷作用时产生的初始峰值力，提高吸能能力。
在同等质量下，可以根据实际工程需要，通过改变结构层级和梯度参数对结构进一步的优化设计，例如，可以通过控制梯度大小来改变壁厚，使结构的材料分布更加合理，从而获得期望的吸能能力。
需要说明的是，一般情况下，在具体设计或应用中，根据应用场景，仿生梯度多级管状结构的外部尺寸是已确定的，因此，在同一应用场景下，在仿生梯度多级管状结构的设计时，不同层级的结构设计，其最外侧管的边长是相同的，通过调整每个内侧管与最外侧管的边长的长度比λ可以确定该内侧管的边长。以本实施例一中和实施例中的仿生梯度多级管状结构为例，若两实施例中的仿生梯度多级管状结构为相同的应用场景为例，如此则实施例二中的二级管5的边长与实施例一中一级管3的边长相同，并根据设计参数完成结构设计。
最后应说明的是：以上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：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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精神和范围。

Claims (9)

1.一种仿生梯度多级管状结构，其特征在于：包括同心且同向间隔设置的至少三个正六边形管，由内至外依次为零级管至N级管，在所述零级管内设有六个零级板，六个所述零级板的一端在所述零级管的中心连接，另一端分别与所述零级管的六个角连接，所述零级板的厚度由所述零级管的中心至所述零级管的管壁方向平滑连续减小；
相邻的两个所述正六边形管之间形成一个容纳空间，由内至外依次为一级容纳空间至N级容纳空间，在所述一级容纳空间至N级容纳空间中，每级所述容纳空间内均设有多个分叉板，且由内至外，位于外侧容纳空间内的所述分叉板的数量是内侧相邻容纳空间内所述分叉板数量的两倍，在每级所述容纳空间内，两个所述分叉板为一组，每组中两个所述分叉板的一端与位于外侧的所述六边形管连接，另一端相交且与位于内侧的所述六边形管连接，其中，位于所述一级容纳空间内的每组分叉板的相交端与一个所述零级板相对应，使一组所述分叉板与一个相对应的所述零级板形成横截面为Y形的结构，位于所述一级容纳空间外侧的各级容纳空间内的每组分叉板的相交端，与位于内侧相邻容纳空间内的一个所述分叉板相对应，使位于外侧容纳空间内的一组所述分叉板，与位于内侧相邻容纳空间内的一个相对应所述分叉板形成横截面为Y形的结构；
所述分叉板的厚度由内侧端至外侧端平滑连续减小，其中，内侧端是与位于内侧的所述正六边形管连接的一端，外侧端是与位于外侧的所述正六边形管连接的一端。
2.根据权利要求1所述的仿生梯度多级管状结构，其特征在于：包括三个正六边形管，由内至外依次为零级管、一级管和二级管，所述一级管和所述零级管之间的容纳空间为一级容纳空间，在所述一级容纳空间内设置的分叉板为一级分叉板，所述二级管和所述一级管之间的容纳空间为二级容纳空间，在所述二级容纳空间内设置的分叉板为二级分叉板。
3.根据权利要求2所述的仿生梯度多级管状结构，其特征在于：
所述一级分叉板的最大厚度等于所述零级板的最小厚度，所述二级分叉板的最大厚度等于所述一级分叉板的最小厚度。
4.根据权利要求2或3所述的仿生梯度多级管状结构，其特征在于：
所述零级管的壁厚等于所述零级板的最小厚度；
所述一级管的壁厚等于所述一级分叉板的最小厚度；
所述二级管的壁厚等于所述二级分叉板的最小厚度。
5.根据权利要求2所述的仿生梯度多级管状结构，其特征在于：满足以下关系：
其中，λ1为所述零级管与所述二级管的边长比，λ2为所述一级管与所述二级管的边长比，α为每组所述一级分叉板的夹角，β为每组所述二级分叉板的夹角。
6.一种仿生梯度多级管状结构，其特征在于：包括同心且同向间隔设置的两个正六边形管，由内至外依次为零级管和一级管，在所述零级管内设有六个零级板，六个所述零级板的一端在所述零级管的中心连接，另一端分别与所述零级管的六个角连接，所述零级板的厚度由所述零级管的中心至所述零级管的管壁方向平滑连续减小；
所述一级管和所述零级管之间的容纳空间为一级容纳空间，在所述一级容纳空间内设置多个一级分叉板，所述一级分叉板的数量是所述零级板的两倍，两个所述一级分叉板为一组，每组中两个所述一级分叉板的一端与所述一级管连接，另一端相交且与所述零级管连接，且连接处与所述零级板相对应，使每组所述一级分叉板与相对应的所述零级板形成横截面为Y形的结构；
所述一级分叉板的厚度由内侧端至外侧端平滑连续减小，其中，内侧端是与所述零级管连接的一端，外侧端是与所述一级管连接的一端。
7.根据权利要求6所述的仿生梯度多级管状结构，其特征在于：
所述一级分叉板的最大厚度等于所述零级板的最小厚度。
8.根据权利要求6或7所述的仿生梯度多级管状结构，其特征在于：
所述零级管的壁厚等于所述零级板的最小厚度；
所述一级管的壁厚等于所述一级分叉板的最小厚度。
9.根据权利要求6所述的仿生梯度多级管状结构，其特征在于：满足以下关系：
其中，λ1为所述零级管与所述一级管的边长比，α为每组所述一级分叉板的夹角。
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