CN114673747B - 一种基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板及防护部件或汽车部件 - Google Patents

一种基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板及防护部件或汽车部件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板及防护部件或汽车部件，吸能板主体包括至少一层分级层状墨鱼骨仿生结构；每层分级层状墨鱼骨仿生结构均包括一级隔板、吸能壁和二级隔板；一级隔板沿吸能板主体的厚度方向依次间隔设置；相邻的一级隔板之间分别设有多个吸能壁；吸能壁沿一级隔板的长度方向延伸，沿着宽度方向间隔设置，每个吸能壁均包括中心平面；每个吸能壁呈现正弦波浪形状，沿着高度方向振幅梯度变化；相邻吸能壁之间设有多层二级隔板，多层二级隔板沿着吸能板主体厚度方向依次间隔设置。本发明具备优异的吸能抗爆能力，可以起到很好的缓冲吸能作用，从而可提高被保护的车辆、车内设备以及乘员的安全性。

Description

一种基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板及防护部件或汽车部件
技术领域
本发明涉及爆炸冲击防护技术领域，具体涉及一种基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板及防护部件或汽车部件。
背景技术
具有良好能量吸收能力的轻质结构对于许多工程应用至关重要，例如车辆的前部吸能防撞杆、坦克军车的防爆装甲和人体护具等。在国际大形势的压力下，对军需坦克汽车的吸能防爆保护部件的研究需求刻不容缓，已有的抗爆吸能部件在比吸能量和比强度方面仍然不够理想。
发明内容
针对现有技术问题，本发明提供一种基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板及防护部件或汽车部件，将分级层状墨鱼骨仿生结构应用到抗爆吸能板、人体防护部件或汽车部件中，分级层状墨鱼骨仿生结构充分模拟了墨鱼骨的微结构，具备优异的吸能抗爆能力，提高了比吸能量和比强度，可以起到很好的抵抗破坏和缓冲吸能作用，从而可提高被保护的车辆、车内设备以及乘员的安全性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，包括吸能板主体；所述吸能板主体包括至少一层分级层状墨鱼骨仿生结构；每层所述分级层状墨鱼骨仿生结构均包括一级隔板、吸能壁和二级隔板；
所述一级隔板沿吸能板主体的厚度方向依次间隔设置；相邻的一级隔板之间分别设有多个吸能壁；吸能壁沿一级隔板的长度方向延伸，沿着宽度方向间隔设置，每个所述吸能壁均包括中心平面，多个吸能壁的中心平面均垂直于一级隔板；每个吸能壁呈现正弦波浪形状，沿着高度方向振幅梯度变化；
相邻吸能壁之间设有多层二级隔板，所述二级隔板与一级隔板平行，且与吸能壁的中心平面垂直，多层二级隔板沿着吸能板主体厚度方向依次间隔设置。
上述方案中，所述吸能壁的中心平面平行距离为D，每个吸能壁的厚度为T2，吸能壁波浪形状的轮廓线S满足以下方程：
其中，Ab是吸能壁底部的振幅，At是吸能壁顶部的振幅，h是吸能壁的任一高度处的高度值，H是吸能壁的高度，P是吸能壁的正弦周期，y＝0是中心平面M的位置，吸能壁的振幅随着h增大而增大。
进一步的，所述一级隔板的厚度为T1，一级隔板层数为N，N大于或等于2；
所述二级隔板的厚度为T3，多层二级隔板的层数为n，相邻二级隔板之间的间隔为H/(n+1)；
At:Ab:P:D:H:T1:T2:T3＝(20～40):(10～20):(50～100):(50～100):(175～275):(10～20):(5～10):1。
上述方案中，所述二级隔板的层数n为2～8，沿所述吸能板主体的厚度延伸方向，每层分级层状墨鱼骨仿生结构的吸能壁的二级隔板的层数逐渐增多。
进一步的，所述吸能板主体包括三层分级层状墨鱼骨仿生结构；
第一层分级层状墨鱼骨仿生结构的二级隔板的层数为2；第二层分级层状墨鱼骨仿生结构的二级隔板的层数为4；第三层分级层状墨鱼骨仿生结构的二级隔板的层数为6。
上述方案中，所述吸能板主体的材料为金属、复合材料或陶瓷。
上述方案中，所述吸能板主体为平板、曲面板或者环形板。
一种人体防护部件，具有所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板。
一种汽车部件，具有所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板。
一种根据所述基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板的制造方法，所述基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板通过增材制造方法进行制造。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明应用了仿生设计理念，将分级层状墨鱼骨仿生结构应用到抗爆吸能板、人体防护部件或汽车部件中，分级层状墨鱼骨仿生结构充分模拟了墨鱼骨的微结构，可以通过梯度振幅的正弦波浪壁结构，即吸能壁和梯度层状结构充分吸收和消散爆炸冲击或者外力伤害，具备优异的吸能抗爆能力，提高了比吸能量和比强度，可以起到很好的抵抗破坏和缓冲吸能作用，从而可提高被保护的车辆、车内设备以及乘员的安全性。
附图说明
为了更好地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，
图1为实例1的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板的平板的立体图；
图2为图1中I处的局部立体图；
图3为实例1的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板的主视图；
图4为图3中J处的局部主视图；
图5为单个吸能壁局部的立体图；
图6为同一层相邻两个吸能壁的三视图，图(a)是主视图，图(b)是俯视图，图(c)是侧视图；
图7为一层局部多个二级隔板的俯视图；
图8为实例2的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板的环形板的立体图；
图9为实例2的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板的环形板的俯视图；
图10为图9中K处的局部俯视图。
图中：1、一级隔板；2、吸能壁；3、二级隔板。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
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”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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该特征。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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如1所示为本发明所述基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板的一种较佳实施方式，所述基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，包括吸能板主体；所述吸能板主体包括至少一层分级层状墨鱼骨仿生结构；每层所述分级层状墨鱼骨仿生结构均包括一级隔板1、吸能壁2和二级隔板3；
所述一级隔板1沿吸能板主体的厚度方向顺序间隔设置；相邻的一级隔板1之间分别设有多个吸能壁2；吸能壁2沿一级隔板1的长度方向延伸，沿着宽度方向顺序间隔设置，每个所述吸能壁2均包括中心平面M，多个吸能壁2的中心平面M均垂直于一级隔板1；每个吸能壁2呈现正弦波浪形状，沿着高度方向振幅梯度变化；
相邻吸能壁2之间设有多层二级隔板3，所述二级隔板3与一级隔板1平行，且与吸能壁2的中心平面M垂直，多层二级隔板3沿着吸能板主体厚度方向顺序间隔设置。
所述吸能壁2的中心平面平行距离为D，每个吸能壁的厚度为T2，吸能壁2波浪形状的轮廓线S满足以下方程：
其中，Ab是吸能壁底部的振幅，At是吸能壁顶部的振幅，h是吸能壁的任一高度处的高度值，H是吸能壁的高度，P是吸能壁的正弦周期，y＝0是中心平面M的位置，吸能壁2的振幅随着h增大而增大。
所述一级隔板1的厚度为T1，一级隔板1层数为N，N大于或等于2；
所述二级隔板3的厚度为T3，多层二级隔板3的层数为n，相邻二级隔板3之间的间隔为H/(n+1)；
优选的：
At:Ab:P:D:H:T1:T2:T3＝(20～40):(10～20):(50～100):(50～100):(175～275):(10～20):(5～10):1。
所述二级隔板3的层数n为2～8，沿所述吸能板主体的厚度延伸方向，每层分级层状墨鱼骨仿生结构的吸能壁2的二级隔板3的层数逐渐增多。
优选的，所述吸能板主体的材料为金属、复合材料或陶瓷。
优选的，所述吸能板主体为平板、曲面板或者环形板。
一种人体防护部件，具有所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板。
一种汽车部件，具有所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板。
一种根据所述基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板的制造方法，所述基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板通过增材制造方法进行制造。
实例1
如图1～图7所示，本实施例的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，，吸能板主体为平板，是基于墨鱼骨分级层状微结构的仿生抗爆吸能板，包括一级隔板1、吸能壁2和二级隔板3。
如图1～图4所示，一级隔板1沿吸能板主体的厚度方向延伸设置有多层，每相邻两层一级隔板1之间均设置有多个吸能壁2，吸能壁2沿一级隔板1的长度方向延伸，沿着宽度方向顺序间隔设置，二级隔板3设置在相邻吸能壁2之间，沿着吸能板厚度方向顺序间隔设置，一级隔板1、吸能壁2和二级隔板3一起构成具有抗爆吸能功能的吸能板。相邻一级隔板1间夹着的吸能壁2的数量相等，相邻一级隔板1间夹着的二级隔板3数量不同。
具体地，一级隔板1间夹着的二级隔板3沿着板厚方向从顶部到底部二级隔板3数量逐渐增多。
具体地，本实例中设置了4层一级隔板1，第1层一级隔板1和第2层一级隔板1之间夹着第1层吸能壁2和共2层二级隔板3，第2层一级隔板1和第3层一级隔板1之间夹着第2层吸能壁2和共4层二级隔板3，第3层一级隔板1和第4层一级隔板1之间夹着第3层吸能壁2和共6层二级隔板3。
优选地，在本实施例中，一级隔板1、吸能壁2和二级隔板3的厚度分别设置为T1＝1mm，T2＝0.5mm，T3＝0.1mm。
如图5和图6所示，每个吸能壁2均有中心平面M，每层吸能壁2的中心平面M均垂直于一级隔板1，吸能壁2的波浪形态可以通过轮廓线S的控制方程进行描述，轮廓线S为平行于XY的平面在高度h处与吸能壁2的交线。吸能壁2的形状为正弦波浪形状，沿着高度h方向振幅逐渐变小。
具体地，轮廓线S的控制方程满足：
其中Ab是吸能壁底部的振幅，At是吸能壁顶部的振幅，h是吸能壁的任一高度处的高度值，H是吸能壁的高度，P是吸能壁的正弦周期，y＝0是中心平面的位置。在本实施例中，At＝2mm，Ab＝1mm，H＝17.5mm，P＝5mm。
具体地，吸能壁2的振幅由顶部向底部逐渐减小。
具体地，一级隔板1沿吸能板主体的厚度方向顺序间隔设置，本实例中，每层相邻吸能壁2中心平面M之间的平行距离D设置为5mm。
如图7所示，二级隔板3的边缘轮廓与吸能壁2的轮廓吻合，每层水平相邻的二级隔板3之间的距离是吸能壁2的厚度，每层的多个二级隔板3完全相同，不同层的二级隔板3边缘轮廓不同。
本实例中，该吸能平板利用弹性模量1.8GPa、拉伸强度50MPa、延伸率5％的复合树脂材料进行制造，所得到的吸能平板可以达到4～9J/g的比吸能量，以及15～24MPa/g·cm-3的比强度，相较相同材料制造的常见点阵吸能结构而言，比吸能量大幅提高了5～10倍，比强度提高了1.2～2.5倍。
实例2
如图8～图10所示，本实施例的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，吸能板主体为环形板，包括一级隔板1、吸能壁2和二级隔板3。
一级隔板1和二级隔板3均是环形圆柱壳，吸能壁2沿着圆柱高度方向延伸，沿着一级隔板1的圆周间隔设置，沿着圆柱半径延伸方向设置有多层吸能壁2，一级隔板1间夹着的二级隔板3沿着圆柱半径方向从外部到内部二级隔板3数量逐渐增多。
具体地，在本实施例中，一级隔板1、吸能壁2和二级隔板3的厚度分别设置为T1＝1mm，T2＝0.5mm，T3＝50um；吸能壁2顶部的振幅At＝2mm，底部的振幅Ab＝1mm，高度H＝13.7mm，正弦周期P＝5mm；最内层相邻吸能壁2中心平面之间的平行距离D设置为5mm，从内向外每层吸能壁2的中心平面在同一径向平面上。
本实例中，该吸能环形板利用弹性模量300GPa、拉伸强度2300MPa的氧化铝陶瓷进行制造，所得到的吸能环形板在受到径向压力时可以达到20～60J/g的比吸能量，以及180～300MPa/g·cm-3的比强度。
本发明吸能板的结构类似于墨鱼骨的分级多层结构，吸能壁2的梯度振幅的正弦波浪壁结构在受到爆炸冲击或者外力时发生变形和破碎来消散伤害，通过设置多层一级隔板1来集成多层吸能壁2可以进一步提升吸能效果，进一步通过二级隔板3来提升吸能壁2承受外力的能力上限，强化吸能壁2的吸能效果。二级隔板3的数量从吸能板的第一层分级层状墨鱼骨仿生结构到第三层分级层状墨鱼骨仿生结构逐渐增多，第一层分级层状墨鱼骨仿生结构到第三层分级层状墨鱼骨仿生结构的强度和吸能能力呈现梯度式上升，可以形成梯度层状结构能在受爆炸冲击外力时层层缓冲，有效提升吸能板服役时的平台应力，进一步提升吸能板的防护吸能功能。本发明根据仿生设计理念将墨鱼骨的微结构及优越性能充分应用到防爆吸能板的设计中，提出了新型的轻质高效的吸能板及护具。
该吸能板可应用于人体防护装置或汽车部件上，以吸收爆炸或撞击所产生的冲击效应，从而提高被保护的车辆、车内设备以及乘员的安全性。当吸能板应用于人体防护装置或汽车部件上时，吸能板厚度方向上的两端分别朝向人体防护装置或汽车部件的内侧和外侧。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，其特征在于，包括吸能板主体；所述吸能板主体包括至少一层分级层状墨鱼骨仿生结构；每层所述分级层状墨鱼骨仿生结构均包括一级隔板(1)、吸能壁(2)和二级隔板(3)；
所述一级隔板(1)沿吸能板主体的厚度方向依次间隔设置；相邻的一级隔板(1)之间分别设有多个吸能壁(2)；吸能壁(2)沿一级隔板(1)的长度方向延伸，沿着宽度方向间隔设置，每个所述吸能壁(2)均包括中心平面，多个吸能壁(2)的中心平面均垂直于一级隔板(1)；每个吸能壁(2)呈现正弦波浪形状，沿着高度方向振幅梯度变化；
相邻吸能壁(2)之间设有多层二级隔板(3)，所述二级隔板(3)与一级隔板(1)平行，且与吸能壁(2)的中心平面垂直，多层二级隔板(3)沿着吸能板主体厚度方向依次间隔设置。
2.根据权利要求1所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，其特征在于，所述吸能壁(2)的中心平面平行距离为D，每个吸能壁的厚度为T2，吸能壁(2)波浪形状的轮廓线S满足以下方程：
其中，Ab是吸能壁底部的振幅，At是吸能壁顶部的振幅，h是吸能壁的任一高度处的高度值，H是吸能壁的高度，P是吸能壁的正弦周期，y＝0是中心平面M的位置，吸能壁(2)的振幅随着h增大而增大。
3.根据权利要求2所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，其特征在于，所述一级隔板(1)的厚度为T1，一级隔板(1)层数为N，N大于或等于2；
所述二级隔板(3)的厚度为T3，多层二级隔板(3)的层数为n，相邻二级隔板(3)之间的间隔为H/(n+1)；
At:Ab:P:D:H:T1:T2:T3＝(20～40):(10～20):(50～100):(50～100):(175～275):(10～20):(5～10):1。
4.根据权利要求1所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，其特征在于，所述二级隔板(3)的层数n为2～8，沿所述吸能板主体的厚度延伸方向，每层分级层状墨鱼骨仿生结构的吸能壁(2)的二级隔板(3)的层数逐渐增多。
5.根据权利要求4所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，其特征在于，所述吸能板主体包括三层分级层状墨鱼骨仿生结构；
第一层分级层状墨鱼骨仿生结构的二级隔板(3)的层数为2；第二层分级层状墨鱼骨仿生结构的二级隔板(3)的层数为4；第三层分级层状墨鱼骨仿生结构的二级隔板(3)的层数为6。
6.根据权利要求1所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，其特征在于，所述吸能板主体的材料为金属、复合材料或陶瓷。
7.根据权利要求1所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板，其特征在于，所述吸能板主体为平板、曲面板或者环形板。
8.一种人体防护部件，其特征在于，具有权利要求1-7任意一项所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板。
9.一种汽车部件，其特征在于，具有权利要求1-7任意一项所述的基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板。
10.一种根据权利要求1-7任意一项所述基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板的制造方法，其特征在于，所述基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板通过增材制造方法进行制造。
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