CN114738411A - 一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构 - Google Patents
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Abstract
一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，包括内部连接器和连接于内部连接器相对两侧的双稳态结构，所述双稳态结构由位于同一平面上的多个单胞双稳态结构组成，内部连接器上设有与单胞双稳态结构相连的若干连接柱，连接柱数量与同一平面上的单胞双稳态结构数量相一致；所述双稳态结构外侧设有与所有单胞双稳态结构相连的外部连接器；所述单胞双稳态结构包括基座和连接于基座相对两侧的双稳态层合板，相对两侧的双稳态层合板中部分别与外部连接器和内部连接器相连；与现有技术相比，整体通过螺栓可拆卸式连接，在便于安装的同时，可根据实际需要更换不同性能的双稳态层合板，从而得到具有不同缓冲效果的缓冲结构，降低不同缓冲需求的使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构。
背景技术
随着人们对设备的使用要求愈来愈高，大部分结构不仅仅需要保证在常规静载工况下稳定工作，还需要抵御一定程度的冲击振动，例如被动吸能结构中的蜂窝结构、薄壁结构、夹芯结构等以塑性变形作为主要吸能手段的缓冲结构，缓冲效果好，然而破坏性的塑性变形使得材料无法重复利用；利用材料的黏弹特性实现重复性的能量吸收的被动缓冲结构，但吸能效果严重依赖于加载和卸载的速度。
作为机械超材料的一种，负刚度超材料具有可重用性，在受力变形后可自我回复或通过外部驱动恢复初始状态。负刚度超材料在缓冲吸能方面作为缓冲防护装置，通过串联多个负刚度单胞结构，构建优异的缓冲吸能曲线，结构刚度呈现正—负—正的变化。负刚度超材料在工作时，外部负载能量被结构以大变形吸收存储。
中国专利号CN114038518A公开了一种加固型负刚度超材料结构，包括外圆柱面和内部周期性结构，所述 外圆柱面上设有周期性分布的第一梁单元，所述内部周期性结构上设有周期性分布的第二 梁单元，所述第一梁单元和所述第二梁单元都包括两个对称的斜梁单元。
上述公开的这种负刚度超材料结构采用增材制造整体打印，其性能与尺寸受限于工艺与机器的限制，存在可重复使用次数较少、强度低、吸能效果差等问题。
发明内容
本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种缓冲效果好，便于拆装，可对应不同缓冲要求进行不同组装的离散装配式可回复负刚度缓冲结构。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，包括内部连接器和连接于内部连接器相对两侧的双稳态结构，所述双稳态结构由位于同一平面上的多个单胞双稳态结构组成，内部连接器上设有与单胞双稳态结构相连的若干连接柱，连接柱数量与同一平面上的单胞双稳态结构数量相一致；所述双稳态结构外侧设有与所有单胞双稳态结构相连的外部连接器；所述单胞双稳态结构包括基座和连接于基座相对两侧的双稳态层合板，相对两侧的双稳态层合板中部分别与外部连接器和内部连接器相连。
作为本发明的一种优选方案，所述基座边角处设有与双稳态层合板边角处相连接的支撑柱，支撑柱两端与基座相对两侧的双稳态层合板通过螺栓可拆卸式连接。
作为本发明的一种优选方案，所述外部连接器边角处设有与双稳态层合板中部相连接的配合柱，配合柱数量与同一平面上的双稳态层合板数量相一致。
作为本发明的一种优选方案，所述内部连接器相对两侧的双稳态结构具有不同的力学性能，形成梯度响应。
作为本发明的一种优选方案，所述基座相对两侧的双稳态层合板具有不同的力学性能，形成梯度响应。
作为本发明的一种优选方案，所述同一平面上的双稳态层合板力学性能相同。
作为本发明的一种优选方案，所述双稳态层合板由若干层碳纤维环氧树脂复合材料铺设而成，相邻碳纤维环氧树脂复合材料垂直铺设。
作为本发明的一种优选方案，所述双稳态层合板采用热压罐加压固化成型。
作为本发明的一种优选方案，所述外部连接器、双稳态结构和内部连接器依次平行排布。
作为本发明的一种优选方案，所述外部连接器、内部连接器和基座采用增材制造。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、整体通过螺栓可拆卸式连接，在便于安装的同时，可根据实际需要更换不同性能的双稳态层合板，从而得到具有不同缓冲效果的缓冲结构，降低不同缓冲需求的使用成本；
2、采用碳纤维环氧树脂复合材料制备双稳态层合板，力学性能优异，且双稳态层合板的负刚度特性不依赖结构约束，结构简单；
3、通过设计双稳态层合板力学性能，改变初始曲率，使得层合板在保持负刚度特性的基础上可以自主回复至初始状态，并通过梯度设计双稳态层合板响应阈值，扩大双稳态层合板的响应范围，对不同层级设计不同力学性能的双稳态层合板，保证不同外部载荷下，结构均可产生负刚度特性，实现更好缓冲防护。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是单胞双稳态结构的结构示意图；
图4是单胞双稳态结构的主视图；
图5是双稳态层合板的稳态转变示意图；
图6是双稳态层合板的载荷-位移曲线图；
图7是本发明的工作示意图；
图8是本发明的响应特性示意图；
图9是外部连接器的结构示意图；
图10是内部连接器的结构示意图；
附图标记：外部连接器1，内部连接器2，双稳态层合板3，基座4，螺栓5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作详细说明。
如图1-9所示，一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，包括内部连接器2和连接于内部连接器2相对两侧的双稳态结构，所述双稳态结构由位于同一平面上的多个单胞双稳态结构组成，内部连接器2上设有与单胞双稳态结构相连的若干连接柱，连接柱数量与同一平面上的单胞双稳态结构数量相一致；所述双稳态结构外侧设有与所有单胞双稳态结构相连的外部连接器1；所述单胞双稳态结构包括基座4和连接于基座4相对两侧的双稳态层合板3，相对两侧的双稳态层合板3中部分别与外部连接器1和内部连接器2相连。
单胞双稳态结构包括两个不同突变载荷的双稳态层合板3与基座4，双稳态层合板3为矩形结构，从而单胞双稳态结构表面相抵形成缓冲层，同时彼此相抵的单胞双稳态结构之间具有更好的稳定性，相邻双稳态层合板3的4个边角处通过螺栓5与内部连接器2或外部连接器1连接。
双稳态层合板3的4个边角处通过螺栓5与内部连接器2或外部连接器1连接，从而限制双稳态层合板3垂直方向自由度，同时保证双稳态层合板3的稳态转变顺利进行，通过螺栓5连接可随时替换双稳态层合板3，从而可根据实际需要选择不同缓冲性能的双稳态层合板3，实现不能的缓冲效果。
连接柱位于内部连接器2边角处，且连接柱通过焊接或胶水的方式固定连接于内部连接器2上，连接柱与双稳态层合板3中部通过螺栓可拆卸式连接，相对应的，连接柱内形成有与螺栓相对应的螺纹孔，双稳态层合板3中部形成有与螺栓相对应的连接孔，螺栓穿过双稳态层合板3与连接柱相连，且螺栓头部将双稳态层合板3与连接柱进行夹紧，实现双稳态层合板3与连接柱的固定连接。
单胞双稳态结构的数量根据实际需要进行设置，且相邻单胞双稳态结构之间相抵，使得单胞双稳态结构在使用过程中具有更好的稳定性。
双稳态层合板3为负刚度部件，具有缓冲吸能作用，双稳态层合板3与基座4可拆卸式连接，可根据实际需要在基座4上设置相对应的不同性能的双稳态层合板3，双稳态层合板3在自身材料的作用下，缓冲动作后可以自主回复初始状态，不需外力驱动。
基座4边角处设有与双稳态层合板3边角处相连接的支撑柱，支撑柱两端与基座4相对两侧的双稳态层合板3通过螺栓5可拆卸式连接，连接柱通过焊接或胶水的方式固定连接于基座4上，相对应的，支撑柱两端均形成有与螺栓相对应的螺纹孔，双稳态层合板3边角处形成有与螺栓相对应的连接孔，螺栓穿过双稳态层合板3与支撑柱相连，且螺栓头部将双稳态层合板3与支撑柱进行夹紧，实现双稳态层合板3与支撑柱的固定连接。
外部连接器1边角处设有与双稳态层合板3中部相连接的配合柱，配合柱数量与同一平面上的双稳态层合板3数量相一致，配合柱通过焊接或胶水的方式固定连接于外部连接器1上，配合柱与双稳态层合板3中部通过螺栓可拆卸式连接，相对应的，配合柱内形成有与螺栓相对应的螺纹孔，双稳态层合板3中部形成有与螺栓相对应的连接孔，螺栓穿过双稳态层合板3与配合柱相连，且螺栓头部将双稳态层合板3与配合柱进行夹紧，实现双稳态层合板3与配合柱的固定连接。
内部连接器2相对两侧的双稳态结构具有不同的力学性能，形成梯度响应，基座4相对两侧的双稳态层合板3具有不同的力学性能，形成梯度响应，同一平面上的双稳态层合板3力学性能相同，通过逐层布置不同力学性能的双稳态结构，适用于不同缓冲工况。
双稳态层合板3由若干层碳纤维环氧树脂复合材料铺设而成，相邻碳纤维环氧树脂复合材料垂直铺设，双稳态层合板3采用热压罐加压固化成型，铺层设置为[0°/90°]n，通过调整n的数值控制层合板刚度，通过改变层合板初始固化曲率，将层合板变为非对称双稳态层合板，使其可以自主回复，n为碳纤维环氧树脂复合材料被动铺设层数。
双稳态层合板由T700碳纤维环氧树脂复合材料铺设，通过模具调整初始固化曲率，由热压罐工艺制备，使其变为非对称正交双稳态层合板，T700碳纤维环氧树脂复合材料具有很好的韧性，并且不易折断，根据T700碳纤维预浸料铺设方向不同，热压罐加压固化后产生残余应力不同，导致复合材料层合板具有两个稳态，且在稳态转变过程中双稳态层合板表现出明显的负刚度特性，通过模具调整双稳态层合板的初始固化曲率，使其变为非对称正交双稳态层合板，改变第二稳态突变载荷，使双稳态层合板可以自主回复初始状态，通过双稳态层合板铺层进行调整，控制结构刚度。
外部连接器1、双稳态结构和内部连接器2依次平行排布，外部连接器1、内部连接器2和基座4采用增材制造。
在实际使用过程中，本装置由多个单胞双稳态结构阵列排布，内部连接器2通过螺栓5将不同单胞双稳态结构进行固定，单胞双稳态结构阵列排布，同一层内单胞双稳态结构的参数完全相同，内部连接器2相对两侧阵列排布的单胞双稳态结构构成整体的两层梯度响应结构。
其中连接固定结构分为两类，内部连接器2上下对称，连接两层单胞双稳态结构；外部连接器1单侧与单胞双稳态结构连接，螺栓5连接固定单胞双稳态结构，双稳态层合板3可随时调整或替换。
如图1-2所示，单胞双稳态结构阵列排布，沿X、Y、Z三个方向正交排布。沿X和Y方向互相连接进行堆叠时保证单胞双稳态结构朝向相同，且基体4的端面平行排布，同时确保单胞双稳态结构同层结构参数保证一致。在Z方向堆叠时，保证单胞双稳态结构朝向一致，各组单胞结构中间间隔一定距离。所述单胞双稳态结构在双稳态层合板3中阵列排布，中心点通过螺栓5与外部连接器1或内部连接器2固定连接。
双稳态层合板3在4个边角处、中心点受力的状态下从第一稳态转变至第二稳态过程，根据双稳态层合板3的受理量和双稳态层合板3的位移情况可制成相对应的双稳态层合板的载荷-位移曲线图，从而得到载荷-位移曲线显示在稳态转变过程中双稳态层合板3呈现明显的负刚度特性。
双稳态层合板3由碳纤维环氧树脂复合材料非对称铺设制成，铺层参数为[0°/90°]n，n为单向碳纤维环氧树脂复合材料层数，通过控制碳纤维环氧树脂复合材料层数，设计双稳态层合板3的初始刚度。在双稳态层合板3制备阶段，通过模具调整双稳态层合板的初始固化曲率，使其变为非对称正交双稳态层合板，改变第二稳态突变载荷，使双稳态层合板可以自主回复初始状态。
外部载荷作用于外部连接器1，外部连接器1的配合柱将载荷传递至单胞双稳态结构，单胞双稳态结构将载荷传递至双稳态层合板3中部进行受力，双稳态层合板3在受力情况下逐步发生稳态转变，在此过程中，单胞结构基座4将载荷传递至单胞双稳态结构下层双稳态层合板3，通过双稳态层合板3的4个边角处受力驱动双稳态层合板3稳态转变。
一侧的单胞双稳态结构通过内部连接器2将外部载荷传递至另一侧的单胞双稳态结构。由于设计中，两侧单胞双稳态结构与单胞双稳态结构两侧布置双稳态层合板3力学性能不同，超材料在外部载荷作用下呈现梯度响应。双稳态层合板3在稳态转变过程中处于弹性变形，将外部能量转变为自身弹性势能，逐层传递载荷，梯度响应的阈值通过控制不同层双稳态层合板3进行控制。随着外部载荷的下降，双稳态层合板3沿响应变化顺序，双稳态层合板3逐层回复初始状态。
如图8所示，在载荷-位移变化曲线中，可得出双稳态层合板3随位移增大过程中，载荷出现先增大后减小，再增大再减小交替变化的结果。这一过程分为以下几个阶段：第一阶段，正刚度阶段，随着位移的增加，载荷不断增大，结构表现出正刚度效应，用于正常的结构支撑；第二阶段，负刚度阶段，随着位移的不断增加，载荷出现下降，此过程中第一层双稳态层合板3表现负刚度特性，但其它层仍保持正刚度特性；第三阶段，正刚度阶段，随位移继续增加，载荷下降至一定程度后再次上升，这是因为第一层双稳态层合板3负刚度阶段结束，恢复正刚度特性，其它层双稳态层合板3仍保持正刚度特性，因此载荷随位移增大而增大；第四阶段，负刚度阶段，随位移增加，载荷再次下降，这是因为超材料的第二层双稳态层合板3进入负刚度阶段，使得结构表现负刚度特性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记：外部连接器1，内部连接器2，双稳态层合板3，基座4，螺栓5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (10)
1.一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，包括内部连接器（2）和连接于内部连接器（2）相对两侧的双稳态结构，其特征在于，所述双稳态结构由位于同一平面上的多个单胞双稳态结构组成，内部连接器（2）上设有与单胞双稳态结构相连的若干连接柱，连接柱数量与同一平面上的单胞双稳态结构数量相一致；所述双稳态结构外侧设有与所有单胞双稳态结构相连的外部连接器（1）；所述单胞双稳态结构包括基座（4）和连接于基座（4）相对两侧的双稳态层合板（3），相对两侧的双稳态层合板（3）中部分别与外部连接器（1）和内部连接器（2）相连。
2.根据权利要求1所述的一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，其特征在于，所述基座（4）边角处设有与双稳态层合板（3）边角处相连接的支撑柱，支撑柱两端与基座（4）相对两侧的双稳态层合板（3）通过螺栓（5）可拆卸式连接。
3.根据权利要求1所述的一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，其特征在于，所述外部连接器（1）边角处设有与双稳态层合板（3）中部相连接的配合柱，配合柱数量与同一平面上的双稳态层合板（3）数量相一致。
4.根据权利要求1所述的一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，其特征在于，所述内部连接器（2）相对两侧的双稳态结构具有不同的力学性能，形成梯度响应。
5.根据权利要求4所述的一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，其特征在于，所述基座（4）相对两侧的双稳态层合板（3）具有不同的力学性能，形成梯度响应。
6.根据权利要求5所述的一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，其特征在于，同一平面上的双稳态层合板（3）力学性能相同。
7.根据权利要求1所述的一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，其特征在于，所述双稳态层合板（3）由若干层碳纤维环氧树脂复合材料铺设而成，相邻碳纤维环氧树脂复合材料垂直铺设。
8.根据权利要求7所述的一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，其特征在于，所述双稳态层合板（3）采用热压罐加压固化成型。
9.根据权利要求1所述的一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，其特征在于，所述外部连接器（1）、双稳态结构和内部连接器（2）依次平行排布。
10.根据权利要求1所述的一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构，其特征在于，所述外部连接器（1）、内部连接器（2）和基座（4）采用增材制造。
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| CN202210436981.9A Pending CN114738411A (zh) | 2022-04-25 | 2022-04-25 | 一种离散装配式可回复负刚度缓冲结构 |
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2022
- 2022-04-25 CN CN202210436981.9A patent/CN114738411A/zh active Pending
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