CN114659408B - 一种基于Kresling折纸的复合抗爆结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Kresling折纸的复合抗爆结构及其设计方法，包括上面板和下面板，在上面板和下面板之间设置Kresling折纸芯层；所述Kresling折纸芯层为上下边界为正n多边形，侧面由2n个三角形构成；基于Kresling折纸的新型复合抗爆结构可在不使用时旋转折叠，使用时展开，通过拼装组合使其固定，从而具有较好的承载力，同时具有消波性能好，降低运输成本等优点，具有较好的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Kresling折纸的复合抗爆结构及其设计方法，属于复合抗爆防护结构。
背景技术
战争中的子弹射击，流弹冲击，严重威胁官兵得生命安全，而民间的烟花厂，化工厂等，也常因爆炸事故的发生造成惨重的经济损失和人员伤亡，新型抗爆结构的设计与研究迫在眉睫。现有的钢筋混凝土式防护体系自重大，构筑和搬运不便，且需要较长得时间进行养护，性能易受温度变化的影响；填土式的防护体系依赖作战区域的土地资源，应用范围受限，这都推动着新型防护结构的出现，在满足防护等级的基础上同时具有轻量化，装配式的特点。
已有研究表明，多层的复合抗爆结构可通过层间波阻抗的失配对爆炸冲击波进行衰减，防护效果较好。现有的复合抗爆结构中常选用蜂窝、波纹等结构用作芯层，在一定程度上满足了防护需求，但现有的结构仍存在体积大，运输不便的缺点，且其消波能力和承载力都有进一步提高的空间。因此亟需研究出一种新型的抗爆结构，使其能够解决运输不便问题的同时提高消波、承载力。
发明内容
本发明提供一种基于Kresling折纸的复合抗爆结构及其设计方法，具有可折展的特性，不仅显著降低爆炸冲击波，而且降低了抗爆结构的运输成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于Kresling折纸的复合抗爆结构，包括上面板和下面板，在上面板和下面板之间设置Kresling折纸芯层；
上面板、Kresling折纸芯层以及下面板构成的抗爆结构本体可拉伸或者折叠；
作为本发明的进一步优选，所述Kresling折纸芯层为立体结构，其顶面与底面为正n多边形，立体结构的侧壁为n个平行四边形顺次拼接形成，且每个平行四边形分成对称的两个三角形；
当立体结构处于拉伸状态或者折叠状态时，每个三角形与下面板之间形成面折角，且拉伸状态的面折角大于折叠状态的面折角；
作为本发明的进一步优选，所述立体结构中，相邻两个平行四边形的交接线为山线，将每个平行四边形分成两个三角线的对称线为谷线；
Kresling折纸芯层在折叠时，山线向立体结构内部折叠，谷线向立体结构外部折叠；
作为本发明的进一步优选，当立体结构处于拉伸状态时，每个三角形与下面板之间形成的面折角范围为70°-90°；
当立体结构处于折叠状态时，每个三角形与下面板之间形成的面折角范围为0°-10°；
作为本发明的进一步优选，所述上面板、下面板的尺寸大于Kresling折纸芯层的尺寸；
作为本发明的进一步优选，所述上面板与下面板采用FRP材料或者混凝土制作；
作为本发明的进一步优选，所述Kresling折纸芯层采用金属材料制作；
基于所述Kresling折纸的复合抗爆结构的设计方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：定义正n多边形的边长为a，平行四边形的高为h，每个平行四边形中三角形的锐角夹角为整个平行四边形的锐角夹角为/>
步骤S2：定义拉伸状态的面折角为α1，折叠状态的面折角为α2；
步骤S3：通过设定的α1和α2，求解以及/>
步骤S4：确定正n多边形的边长a，结合以及/>的值，获得平行四边形的高度h，平行四边形的另一条边长b；
步骤S5：通过步骤S1-步骤S4，获取所述抗爆结构本体的各个参数，然后将所述Kresling折纸芯层与所述上面板和下面板连接，形心位于同一铅锤线上,此时所述抗爆结构本体处于可折叠状态；
步骤S6：通过步骤S1-步骤S4，获取所述抗爆结构本体的各个参数，将多个抗爆结构本体依次拼接，相邻的上面板以及相邻的下面板相连，此时多个抗爆结构本体构成的结构处于不可折叠状态；
作为本发明的进一步优选，
步骤S3中，将拉伸状态的面折角为α1、折叠状态的面折角为α2代入公式
其中，λ1＝cosα1，λ2＝cosα2，求得/>
作为本发明的进一步优选，将x1、λ1以及λ2代入公式
λ1λ2x1x2＝1
求得其中，/>
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用在上面板和下面板之间设置Kresling折纸芯层的抗爆结构本体，使得消波性以及承载力得到明显的提高；
2、本发明提供的抗爆结构本体可以进行折叠，方便运输携带，降低了成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的优选实施例的拉伸以及折叠示意图；
图2是本发明提供的优选实施例中Kresling折纸芯层平面展开图；
图3是本发明提供的优选实施例中单个平行四边形的几何参数示意图；
图4是本发明提供的优选实施例中Kresling折纸芯层的几何参数示意图；
图5是将本发明提供的优选实施例多个拼接形成的示意图；
图6是将本发明提供的实施例与相同质量的实心板在准静态荷载下的荷载-位移曲线。
图中：1为上面板，2为Kresling折纸芯层，3为下面板，201为三角形，202为山线，203为谷线。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如背景技术中阐述的，现有技术中采用的复合抗爆结构如蜂窝或者波纹等结构，存在两个较为明显的问题，一个是体积大，导致运输不方便，另一个是消波能力以及承载力有较大的提升空间。基于此，研究者经过多次实验探索后发现，采用折纸结构，其最大的优势在于可折叠，这就解决了关于体积大不便运输的难题，接着在试验过程中发现，将其约束位置，可以提高消波能力以及承载力。
接下来先对本申请的主体结构做一个阐述，总的来说，本申请提供的抗爆结构本体包括上面板1和下面板3，在上面板和下面板之间设置Kresling折纸芯层2；Kresling折纸芯层作为较为经典的折纸结构，其可以实现拉伸或者折叠效果，折叠后便于运输，由于其随着折叠可以发生旋转，因为在Kresling折纸芯层的顶部与底部分别设置了上面板和下面板，由于Kresling折纸芯层内部为中空结构，相对密度较低，由于应力波穿过不同的介质时，层间波阻抗不同会发生衰减，密度越低则波阻抗越小，衰减效果越佳，因此本实施例较低的密度会使得结构具有较佳的消波性能；同时当多个抗爆结构本体拼接后，以约束其旋转自由度，则整个结构处于较为稳定的状态，可以提高承载能力。
这里具体介绍一下Kresling折纸芯层，其为立体结构，其顶面与底面为正n多边形，立体结构的侧壁为n个平行四边形顺次拼接形成，且每个平行四边形分成对称的两个三角形201；将Kresling折纸芯层平面展开后，如图2所示，相邻两个平行四边形的交接线为山线202，将每个平行四边形分成两个三角线的对称线为谷线203；当立体结构处于拉伸状态或者折叠状态时，图4所示，每个三角形与下面板之间形成面折角，且拉伸状态的面折角大于折叠状态的面折角，从图4中还可以看出，Kresling折纸芯层在折叠时，山线向立体结构内部折叠，谷线向立体结构外部折叠。
为了保证抗爆结构本体的稳定性，所述上面板、下面板的尺寸大于Kresling折纸芯层的尺寸；同时上面板与下面板采用强度较高的材料制作，如FRP材料或者混凝土；Kresling折纸芯层选用金属材料制作。
接着本申请提供了一个优选实施例，实施例中，如图1所示，所述Kresling折纸芯层采用六边形，即n取6，上面板与下面板为正方形，且边长为30mm×30mm，厚度为5mm；Kresling折纸芯层选用铝合金进行制造，上面板和下面板采用FRP材料制作，上面板和下面板通过环氧树脂胶与Kresling折纸芯层粘贴连接。
接下来需要对Kresling折纸芯层进行参数设计，使其具有两种平衡状态，即图1所示初始的拉伸状态以及折叠状态，图2、图3以及图4所示，首先定义正n多边形的边长为a，平行四边形的高为h，每个平行四边形中三角形的锐角夹角为整个平行四边形的锐角夹角为/>平行四边形的高度h，平行四边形的另一条边长b，在图3中，平行四边形的短边至高度之间的距离定义为m；同时定义拉伸状态的面折角为α1，折叠状态的面折角为α2；考虑到防护效果以及实际情况，当优选实施例的立体结构处于拉伸状态时，每个三角形与下面板之间形成的面折角范围为70°-90°；当立体结构处于折叠状态时，每个三角形与下面板之间形成的面折角范围为0°-10°。
所有参数定义完毕后，进行具体求解，即通过设定的α1和α2，求解以及/>从图3中可以看出，只需求解出/>以及/>即可得出所述Kresling折纸芯层的其他几何参数，如h、b等；
具体的，将拉伸状态的面折角为α1、折叠状态的面折角为α2代入公式
其中，λ1＝cosα1，λ2＝cosα2，求得/>
将x1、λ1以及λ2代入公式
λ1λ2x1x2＝1
求得其中，/>
确定正n多边形的边长a，结合以及/>的值，获得平行四边形的高度h，平行四边形的另一条边长b；
通过获取所述抗爆结构本体的各个参数，然后将所述Kresling折纸芯层与所述上面板和下面板连接，形心位于同一铅锤线上,此时所述抗爆结构本体处于可折叠状态；
获取所述抗爆结构本体的各个参数，如图5所示，将多个抗爆结构本体依次拼接，相邻的上面板以及相邻的下面板相连，此时多个抗爆结构本体构成的结构处于不可折叠状态。
为了验证本申请提供的优选实施例的承载以及消波能力，本申请还将模型做了模拟试验，图6所示，是将本申请提供的实施例与相同质量的实心板在准静态荷载下的荷载-位移曲线，点画线代表实心板，虚线代表没有约束旋转的Kresling折纸结构，实线代表约束旋转的Kresling折纸防护结构，可以看出，无论是否约束旋转，Kresling折纸结构的承载力都远远高于实心板；而在约束旋转自由度后，结构的承载力又有了一个明显的提升。
关于消波能力，在实验时，将应力波经过Kresling折纸芯层以及未经过Kresling折纸芯层的应力峰值进行对比，得到表1关于应力波经过Kresling折纸芯层的峰值应力比，
表1
| 试件号 | 峰值应力比 |
| 26-ZGJ | 0.36758％ |
| 27-ZGJ | 0.37500％ |
| 28-ZGJ | 0.33392％ |
| 29-HH | 0.33354％ |
| 30-GLH | 0.23933％ |
| 31-CH3 | 0.25000％ |
| 32-HH | 0.27678％ |
从表1中可以看出，经过Kresling折纸芯层消波后，峰值应力仅为消波前的0.3％左右，消波性能较好。
由此可知，本申请提供的实施例是一种新型的结构形式，与其他结构形式相比，具有可折叠的特性，能够在运输时节节省运输成本；同时本申请提供的Kresling折纸作为较经典的折纸结构之一，能够随着折叠发生旋转，若约束其旋转自由度，则结构会处于较为稳定的状态，具有较佳的承载与消波能力，适合推广使用。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种基于Kresling折纸的复合抗爆结构，其特征在于：包括上面板和下面板，在上面板和下面板之间设置Kresling折纸芯层；
上面板、Kresling折纸芯层以及下面板构成的抗爆结构本体可拉伸或者折叠；
当多个抗爆结构本体拼接后，以约束其旋转自由度，则整个结构处于较为稳定的状态，可以提高承载能力；
Kresling折纸芯层内部为中空结构，相对密度较低，由于应力波穿过不同的介质时，层间波阻抗不同会发生衰减，密度越低则波阻抗越小，衰减效果越佳；
所述Kresling折纸芯层为立体结构，其顶面与底面为正n多边形，立体结构的侧壁为n个平行四边形顺次拼接形成，且每个平行四边形分成对称的两个三角形；
当立体结构处于拉伸状态或者折叠状态时，每个三角形与下面板之间形成面折角，且拉伸状态的面折角大于折叠状态的面折角；
所述立体结构中，相邻两个平行四边形的交接线为山线，将每个平行四边形分成两个三角线的对称线为谷线；
Kresling折纸芯层在折叠时，山线向立体结构内部折叠，谷线向立体结构外部折叠；
当立体结构处于拉伸状态时，每个三角形与下面板之间形成的面折角范围为70°-90°；
当立体结构处于折叠状态时，每个三角形与下面板之间形成的面折角范围为0°-10°。
2.根据权利要求1所述的基于Kresling折纸的复合抗爆结构，其特征在于：所述上面板、下面板的尺寸大于Kresling折纸芯层的尺寸。
3.根据权利要求1所述的基于Kresling折纸的复合抗爆结构，其特征在于：所述上面板与下面板采用FRP材料或者混凝土制作。
4.根据权利要求1所述的基于Kresling折纸的复合抗爆结构，其特征在于：所述Kresling折纸芯层采用金属材料制作。
5.根据权利要求1至4任一所述基于Kresling折纸的复合抗爆结构的设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤S1：定义正n多边形的边长为a，平行四边形的高为h，每个平行四边形中三角形的锐角夹角为整个平行四边形的锐角夹角为/>
步骤S2：定义拉伸状态的面折角为α1，折叠状态的面折角为α2；
步骤S3：通过设定的α1和α2，求解以及/>
步骤S4：确定正n多边形的边长a，结合以及/>的值，获得平行四边形的高度h，平行四边形的另一条边长b；
步骤S5：通过步骤S1-步骤S4，获取所述抗爆结构本体的各个参数，然后将所述Kresling折纸芯层与所述上面板和下面板连接，形心位于同一铅锤线上,此时所述抗爆结构本体处于可折叠状态；
步骤S6：通过步骤S1-步骤S4，获取所述抗爆结构本体的各个参数，将多个抗爆结构本体依次拼接，相邻的上面板以及相邻的下面板相连，此时多个抗爆结构本体构成的结构处于不可折叠状态。
6.根据权利要求5所述基于Kresling折纸的复合抗爆结构的设计方法，其特征在于：
步骤S3中，将拉伸状态的面折角为α1、折叠状态的面折角为α2代入公式
其中，λ1＝cosα1，λ2＝cosα2，求得/>
7.根据权利要求6所述基于Kresling折纸的复合抗爆结构的设计方法，其特征在于：将x1、λ1以及λ2代入公式
λ1λ2x1x2＝1
求得其中，/>
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