CN114738409A - 仿生二维、三维、立体缓冲吸能结构及缓冲吸能器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生二维、三维、立体缓冲吸能结构及缓冲吸能器及方法，属于缓冲吸能领域。本发明的基础仿生二维缓冲吸能结构，其特征在于：由四条长度为L的斜边单元和两条长度为H的竖边单元组成内凹六边形二维结构，该内凹六边形二维结构呈蝴蝶结形；内凹六边形的对称轴线称为二维结构中心轴线；其中斜边单元和竖边单元之间的夹角为θ，且30°≤θ＜90°，H＞2Lcosθ；上述竖边单元和斜边单元微观形态为弯曲丝状结构。本发明具有性能佳，可重复使用的特点。

Description

仿生二维、三维、立体缓冲吸能结构及缓冲吸能器及方法
技术领域
本发明涉及航天可重复使用缓冲吸能领域，公开了一种仿生二维、三维、立体缓冲吸能结构及缓冲吸能器及方法。
背景技术
可重复使用的缓冲吸能结构是提高资源利用率的有效保证，尤其是在航天器着陆过程中，需要相应工作环节来吸收能量、降低冲击载荷、减轻结构震动来避免对航天器造成影响。 传统缓冲单元主要以铝蜂窝结构为主，在着陆过程中通过牺牲铝蜂窝结构的构形使之产生塑性变形来吸收能量，从而保证航天器安全着陆，这种着陆方式仅限于单次使用，吸能结构一旦破坏后无法恢复，因此无法实现可重复使用的功能。另一方面，铝蜂窝结构以自然界种蜂巢的正六边形为主要构形，这种传统的结构单元虽具有较好的吸能效果，但针对吸能结构的构型设计方面还有较大的提升空间。因此设计一种可重复使用的、具有更佳缓冲吸能效果的缓冲吸能器具有深刻的实用价值。
发明内容
本发明针对现有缓冲吸能器存在的不足，提供了一种可重复使用，性能更佳的仿生二维、三维、立体缓冲吸能结构及缓冲吸能器及方法。
一种仿生二维缓冲吸能结构，其特征在于：由四条长度为L的斜边单元和两条长度为H的竖边单元组成内凹六边形二维结构，该内凹六边形二维结构呈蝴蝶结形；内凹六边形的对称轴线称为二维结构中心轴线；其中斜边单元和竖边单元之间的夹角为θ，且30°≤θ＜90°，H＞2Lcosθ；上述竖边单元和斜边单元微观形态为弯曲丝状结构。
优选地，所述的仿生二维缓冲吸能结构，具有“J”形应力-应变响应的变形机制，上述弯曲丝状结构为螺旋形结构，或正弦形结构，折线形结构。
优选地，所述的仿生二维缓冲吸能结构，上述弯曲丝状结构的横截面为圆形或多边形结构。
优选地，所述仿生二维缓冲吸能结构采用形状记忆合金制成，包括镍钛系合金、铜镍系合金、铜铝系合金或铜锌系合金。
利用所述的仿生二维缓冲吸能结构的三维缓冲吸能结构，其特征在于：由若干所述仿生二维缓冲吸能结构组合成三维轴对称结构；且它们的二维结构中心轴线彼此重合，重合后的二维结构中心轴线即为三维轴对称结构的三维中心轴线。
所述的三维缓冲吸能结构，其特征在于：所述三维轴对称结构的横截面为圆形或多边形结构。
利用所述的三维缓冲吸能结构的立体缓冲吸能阵列，其特征在于：由若干所述三维缓冲吸能结构组合成立体阵列；其中水平方向相邻三维缓冲吸能结构共用同一竖边单元，构成单层缓冲吸能结构；其中竖直方向相邻三维缓冲吸能结构交错排布，具体方式为一个三维缓冲吸能结构的三维中心轴线与相邻三维缓冲吸能结构的竖边单元对接，根据实际工作将多层结构累加，构成缓冲吸能器的芯体结构。
利用所述立体缓冲吸能阵列的缓冲吸能器，其特征在于：还包括两块面板；以立体缓冲吸能阵列为缓冲吸能器的芯体结构；面板以焊接或者粘接的方式固定在所述立体缓冲吸能阵列受力方向的上、下两侧。
所述仿生二维缓冲吸能结构缓冲吸能方法，其特征在于包括以下过程：缓冲吸能工作时，竖边单元弯曲丝状结构压缩吸能，同时牵引斜边单元弯曲丝状结构压缩吸能；恢复时，竖边单元、斜边单元的弯曲结构逐渐展开部。
本发明的二维缓冲吸能结构的各边模仿自然界中生物的韧带、血管、组织等胶原纤维这类微观形态为弯曲丝状的结构，该类结构具有各向异性、非线性的“J”形应力-应变响应的变形机制，轴向受力时会由弯曲主导模式向拉伸/压缩主导模式转变，即轴向受拉时，弯曲结构逐渐伸展；轴向受压时，弯曲结构压缩为更紧凑状态。
采用丝状仿生微结构的形状记忆合替代以往结构中铝蜂窝缓冲单元，利用形状记忆合金变形发挥吸能缓冲的作用，变形后通过对其进行激励诱导其恢复初始形状，从而实现着陆器的可重复使用；仿生微结构具有“J”形应力-应变响应的变形机制，受力时会由弯曲主导模式向拉伸/压缩主导模式转变，各向异性的变形能力增强了缓冲器吸能效果。
附图说明
图1为仿生微结构示意图，其中（1-a）为螺旋形仿生微结构，（1-b）为正弦形仿生微结构，（1-c）为折线形仿生微结构；
图2为二维胞元结构示意图，其中（2-a）为基于螺旋形仿生微结构的二维胞元结构，（2-b）为基于正弦形仿生微结构的二维胞元结构，（2-c）为基于折线形仿生微结构的二维胞元结构；
图3为二维胞元结构压缩变形示意图；
图4为三维单胞结构示意图，其中（4-a）为基于螺旋形仿生微结构的三维单胞结构，（4-b）为基于正弦形仿生微结构的三维单胞结构，（4-c）为基于折线形仿生微结构的三维单胞结构；
图5为单层缓冲吸能结构示意图，其中（5-a）为基于螺旋形仿生微结构的单层缓冲吸能结构，（5-b）为基于正弦形仿生微结构的单层缓冲吸能结构，（5-c）基于折线形仿生微结构的单层缓冲吸能结构；
图6为芯体结构示意图，其中（6-a）为基于螺旋形仿生微结构的芯体结构，（6-b）为基于正弦形仿生微结构的芯体结构，（6-c）为基于折线形仿生微结构的芯体结构；
图7缓冲吸能器示意图，其中（7-a）为基于螺旋形仿生微结构的缓冲吸能器，（7-b）为基于正弦形仿生微结构的缓冲吸能器，（7-c）为基于折线形仿生微结构的缓冲吸能器。
具体实施方式
通过以下实例及附图对本发明所给出的结构作进一步描述。
本发明提出一种基于仿生微结构的可重复使用的缓冲吸能器，采用形状记忆合金材料制备可重复使用的低成本、高可靠性的缓冲吸能结构替代传统铝蜂窝结构，在大过载、振动、着陆冲击等复杂环境下，保证飞行器结构及性能的完整性。
实施例：
采用形状记忆合金为缓冲吸能器材料，加工制备具有“J”形应力-应变响应的变形机制的仿生微结构，具体如图1所示，包括螺旋形、正弦形、折线形三种丝状仿生微结构。
基于丝状仿生微结构，加工出如图2所示的内凹六边形为缓冲吸能器的二维胞元结构，其边长及角度关系为H-h=2Lcosθ。二维胞元结构受力时，如图3，倾斜边受拉，弯曲的仿生微结构逐渐展开直至伸直；竖直边受压，仿生微结构逐渐压缩为更加紧凑的状态，这种变形机制不仅具有各向异性特征，而且充分利用内凹六边形各个边的变形吸收能量，加强了缓冲吸能器的工作效果。
将缓冲吸能器的二维胞元结构扩展到三维空间，形成三维单胞结构：如图4，采用两个内凹六边形正交排布，构成立方体状的三维单胞结构；或者采用三个内凹六边形，中心夹角60°排布，构成正六棱柱状的三维单胞结构。
实际加工制造时，三维胞单胞结构共用同一棱边，构成如图5所示的单层缓冲吸能结构；竖直方向，通过焊接或胶接的方式将多层缓冲吸能结构交错排布，根据实际工作将多层结构累加，构成如图6所示的缓冲吸能器的芯体结构。最后在芯体受力方向两侧各焊接或粘接一块面板，如图7，最终构成了一种基于仿生微结构的可重复使用的缓冲吸能器。
当基于仿生微结构的可重复使用的缓冲吸能器受力工作时，通过上下面板挤压芯体结构，芯体结构内基于仿生微结构的内凹六边形斜边受拉逐渐展开吸收能量，基于仿生微结构的内凹六边形竖直边压缩为更加紧凑的状态吸收能量。该过程充分利用了各个变的变形，最大程度上利用整体结构的变形吸收能量。
变形后，通过对形状记忆合金缓冲结构进行激励，缓冲吸能器即可恢复到变形前的形态，从而实现多次可重复使用的功能。

Claims (9)

1.一种仿生二维缓冲吸能结构，其特征在于：
由四条长度为L的斜边单元和两条长度为H的竖边单元组成内凹六边形二维结构，该内凹六边形二维结构呈蝴蝶结形；
内凹六边形的对称轴线称为二维结构中心轴线；
其中斜边单元和竖边单元之间的夹角为θ，且30°≤θ＜90°，H＞2Lcosθ；
上述竖边单元和斜边单元微观形态为弯曲丝状结构。
2.根据权利要求1所述的仿生二维缓冲吸能结构，其特征在于：上述弯曲丝状结构为螺旋形结构，或正弦形结构，折线形结构。
3.根据权利要求1所述的仿生二维缓冲吸能结构，其特征在于：上述弯曲丝状结构的横截面为圆形或多边形结构。
4.根据权利要求1所述的仿生二维缓冲吸能结构，其特征在于：所述仿生二维缓冲吸能结构采用形状记忆合金制成。
5.利用权利要求1至4任一所述的仿生二维缓冲吸能结构的三维缓冲吸能结构，其特征在于：
由若干所述仿生二维缓冲吸能结构组合成三维轴对称结构；且它们的二维结构中心轴线彼此重合，重合后的二维结构中心轴线即为三维轴对称结构的三维中心轴线。
6.根据权利要求5所述的三维缓冲吸能结构，其特征在于：所述三维轴对称结构的横截面为圆形或多边形结构。
7.利用权利要求5或6所述的三维缓冲吸能结构的立体缓冲吸能阵列，其特征在于：
由若干所述三维缓冲吸能结构组合成立体阵列；
其中水平方向相邻三维缓冲吸能结构共用同一竖边单元，构成单层缓冲吸能结构；
其中竖直方向相邻三维缓冲吸能结构交错排布，具体方式为一个三维缓冲吸能结构的三维中心轴线与相邻三维缓冲吸能结构的竖边单元对接。
8.利用权利要求7所述立体缓冲吸能阵列的缓冲吸能器，其特征在于：
还包括两块面板；以立体缓冲吸能阵列为缓冲吸能器的芯体结构；
面板以焊接或者粘接的方式固定在所述立体缓冲吸能阵列受力方向的上、下两侧。
9.根据权利要求1所述仿生二维缓冲吸能结构缓冲吸能方法，其特征在于包括以下过程：
缓冲吸能工作时，竖边单元弯曲丝状结构压缩吸能，同时牵引斜边单元弯曲丝状结构压缩吸能；恢复时，竖边单元、斜边单元的弯曲结构逐渐展开部。
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