CN114962518B - 具有吸能减振特性的点阵胞元结构、平面结构及立体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有吸能减振特性的点阵胞元结构、平面结构及立体结构，该点阵胞元结构包括若干个内折弯支柱和若干个外凸连杆，每个外凸连杆的上下两端面分别与相邻的两个折弯支柱各自的一个端面上下交错串行连接，以使若干个内折弯支柱和若干个外凸连杆构成环形的闭口阵列。本申请通过构建一种变型的负泊松比结构，在小变形范围具有较高的结构刚度，在大冲击载荷作用下，具有较大范围的形变空间，吸收冲击动能，将其转变为机械形变势能，在具有较高支撑刚度同时，仍具有较高的空隙率，具有减重效果好、刚度较高、吸能缓冲性能佳、减振特性好等优点，良好满足了航空、航天、车载等机动、运动平台上各类设备的轻量化和力学环境适应性设计需求。

Description

具有吸能减振特性的点阵胞元结构、平面结构及立体结构

技术领域

本发明涉及结构轻量化设计与振动控制交叉技术领域，尤其涉及到一种具有吸能减振特性的点阵胞元结构、平面结构及立体结构。

背景技术

为尽量减少自重带来的能耗损失，安装在航空、航天、车载等机动、运动平台上的各类设备天然具有结构轻量化设计需求，点阵结构作为一种新型的减重手段，具有减重效果好、比刚度高等特点，目前已在工程设计中得到应用。然而，受到航空、航天、车载平台的动力推进装置及其自身运动状态的影响，安装在这些平台上的各类设备总是受到冲击、振动环境的影响，容易引起设备结构的动态变形和动态应力，导致结构或其他组件出现强度损伤和疲劳破坏，因此点阵结构需要尽量实现减振、缓冲、轻质、比刚度高等多方面功能的综合化。

声子晶体结构作为一种特殊的周期性结构，通过材料、结构和质量参数的周期性形变化，可以导致特定频率范围一致弹性波的传播，即禁带效应，导致这些频率带范围内的振动能量得到消耗而实现减振。目前声子晶体结构中存在两种弹性波禁带产生机理，即布拉格散射和局域共振效应，所产生的禁带分别称为布拉格禁带和局域共振禁带，其中局域共振禁带可以实现“小尺寸控制大波长”的禁带效应，对低频减振降噪具有重要意义，从而在点阵结构设计过程中得到了日益广泛的应用。负泊松比超材料是其一种特殊微观结构构成的功能材料，其宏观的泊松比参数呈现负数，与普通正泊松比材料不同之处在于，当材料发送拉伸变形时，其微观结构会在横向出现膨胀现象，具有良好能量吸收和一定的能量消耗能力，可以用于结构的缓冲和减振。

在本领域已知的实施方式中，中国申请专利CN202010511182.4公开了一种大变形状态下具有稳定零泊松比的点阵结构，其单胞结构由直线杆和曲线杆构成，通过在XYZ三方向阵列构成点阵结构，具有轻量化和高吸能特点，但减振和比刚度性能相对较差；中国申请专利CN201811466741.3公开了一种具有隔振特性的点阵结构，其单胞呈现体心立方结构，并在体心位置增加质量块形成振子结构，能够在较低频率范围实行振动抑制，比刚度较高，可用于具有承载要求的隔振设施，但其点阵结构的缓冲性能一般，不太适合强冲击环境应用；中国申请专利CN202110003106.7公开了一种多级可控渐进吸能点阵结构，本质上是一种变形的体心立方结构，采用X形蒸饺连接的斜杆和斜杆连接中间垂直连接的短竖杆构成，整个结构是由弹性杆系组成，吸能效果出色，但由于缺乏耗能结构，减振效果有限；中国申请专利CN202010890835.4公开了一种基于可编程刚度的手性胞元构建的梯度点阵吸能结构，上环、中环、下环、上部连接杆、下部连接杆构成，上部连接杆、下部连接杆呈斜线装与上环、中环、下环连接，吸能效果不错，但同样缺乏耗能结构，减振效果不佳；中国申请专利CN202120399292.6公开了一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，由沿三个方向伸展并且内部中空的内凹多边形单胞交叉堆叠形成，所述单胞包括沿三个方向延展且在中心相连的分支，该结构具有良好的弹性形变吸能作用和一定的剪切形变耗能功能，但支撑刚度和减振效果还是相对弱；中国申请专利202111151050.6公开了一种兼具高承载、低宽频抑振性能的三维手性声学超材料结构，由框架、薄膜和质量块3个部分粘接而成，虽然支撑刚度、减振和缓冲效果不错，但制造过程复杂，不适合增材制造工艺，在复杂结构对象应用范围受到严格限制；中国申请专利202111151050.6公开了一种兼具内凹和手性负泊松比效应的缓冲抑振结构，多个具有负泊松比效应的旋转对称图形单元组成，并分为中心星形结构和外围结构，该结构整体吸能出色，具有一定减振能力，但支撑刚度不足，而且减振效果也不能得到大幅提升。

上述专利申请公开的点阵结构均难以满意满足航空、航天、车载平台上设备对减振、缓冲、轻质、比刚度高的综合性需求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种具有吸能减振特性的点阵胞元结构，旨在解决目前点阵结构在减振、缓冲、轻质与刚性综合性能方面的存在不足的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种具有吸能减振特性的点阵胞元结构，所述点阵胞元结构包括若干个内折弯支柱和若干个外凸连杆，每个所述外凸连杆的上下两端面分别与相邻的两个折弯支柱各自的一个端面上下交错串行连接，以使若干个内折弯支柱和若干个外凸连杆构成环形的闭口阵列。

可选的，所述内折弯支柱和所述外凸连杆皆不少于3个。

可选的，若干个所述内折弯支柱的折弯方向均向内，并按圆形或多边形进行阵列排布；若干个所述外凸连杆凸出部位均向外，并按圆形或多边形阵列排布。

可选的，所述点阵胞元结构还包括第一质量块，所述第一质量块设于所述外凸连杆。

可选的，所述第一质量块的横截面尺寸均大于所述外凸连杆的横截面尺寸，所述第一质量块的长度尺寸不大于所示外凸连杆长度尺寸的1/2。

此外，为了实现上述目的，本申请还提供一种具有吸能减振特性的点阵平面结构，包括若干个如上所述的点阵胞元结构，每个所述点阵胞元结构并排设置，且相邻所述点阵胞元结构的相邻端面共用。

此外，为了实现上述目的，本申请还提供一种具有吸能减振特性的点阵立体结构，包括若干层如上所述的点阵平面结构，每层所述点阵平面结构重叠设置，且相邻所述点阵平面结构中对应的点阵胞元结构的相邻端面共用。

可选的，所述点阵立体结构中的每个点阵胞元结构还设有第二质量块，所述第二质量块设于若干个所述内折弯支柱和若干个所述外凸连杆形成的胞元结构内。

可选的，所述第二质量块通过若干个连接连杆与对应的外凸连杆的外凸部连接。

可选的，相邻所述点阵平面结构中对应的点阵胞元结构的第二质量块通过连接支杆连接。

本发明相比于现有点阵结构具有如下有益效果：

支撑刚度较好、减重效果突出。相比传统的负泊松比超材料结构存在的支撑刚度较弱，自身形变较大等问题，本发明提出的点阵结构支撑刚度较佳，能够满足航空等平台上设备对结构变形和整体晃动位移控制严格的设计要求。在具有较高支撑刚度同时，本发明的点阵结构天然具有较高的空隙率，相比实心结构，可以最少减重40％。

吸能效果佳。本发明的点阵结构是一个变型的负泊松比结构，在小变形范围具有较高的结构刚度，而在大冲击载荷作用下，本发明的点阵结构又具有较大范围的形变空间，能够像弹簧一样良好吸收冲击动能，将其转变为机械形变势能。

减振效果好。本发明的点阵结构的外凸连杆和质量块之间可以形成局部弹簧振子结构，产生声子晶体结构的局域共振禁带效应，实现振动能量的吸收和消耗。

本发明的点阵结构具有减重效果好、刚度较高、吸能缓冲性能佳、减振特性好等优点，良好满足了航空、航天、车载等机动、运动平台上各类设备的轻量化和力学环境适应性设计需求。

附图说明

图1是本发明实施1的具有吸能减振特性的点阵胞元结构的示意图。

图2是图1所示的点阵胞元结构组成的点阵立体结构示意图。

图3是实施例2的具有吸能特性的点阵胞元结构的轴测视图。

图4是实施例3的具有吸能减振特性的点阵胞元结构的轴测视图。

附图标号说明：1-内折弯支柱，2-外凸连杆，3-圆柱状质量块，4-圆截面连杆，5-圆截面支杆，6-方形质量块。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。

下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。

目前，相关技术领域中，目前点阵结构在减振、缓冲、轻质与刚性综合性能方面的存在不足的技术问题。

为了解决这一问题，提出本发明的具有吸能减振特性的点阵胞元结构、平面结构及立体结构的各个实施例。本发明提供的具有吸能减振特性的点阵胞元结构，通过构建一种变型的负泊松比结构在小变形范围具有较高的结构刚度，而在大冲击载荷作用下，又具有较大范围的形变空间，能够像弹簧一样良好吸收冲击动能，将其转变为机械形变势能，在具有较高支撑刚度同时，仍具有较高的空隙率，具有减重效果好、刚度较高、吸能缓冲性能佳、减振特性好等优点，良好满足了航空、航天、车载等机动、运动平台上各类设备的轻量化和力学环境适应性设计需求。

参阅图1、2。在以下描述的实施例中，包括一个内折弯支柱1的端面的连着一个倾斜放置的外凸连杆2的一个端面，且外凸连杆2上连接圆柱状质量块3，而三个及以上的内折弯支柱1、外凸连杆2呈圆形或多边形的闭口阵列，并保持外凸连杆2上、下两端面分别与相邻的两个折弯支柱1各自的一个端面上下交错串行连接，构成一个具有吸能减振特性的点阵胞元结构。

当振动载荷作用在点阵结构上时，胞元结构中外凸连杆2和圆柱状质量块3构成的弹簧-质量振动系统会产生局部共振，当胞元的局部共振频率与点阵结构整体固有频率之比大于0.707时，点阵结构会出现动力消振现象，产生频率禁带效应，实现减振效果。当冲击载荷作用在点阵结构上时，折弯支柱1与外凸连杆2构成一个异型弹簧系统，冲击载荷超过一定量级，会使得他们发生弹性折弯或弯曲变形，将冲击动能转化机械形变势能，实现冲击能量吸收。

实施例1：

参阅图1、图2。四个内折弯支柱1的弯角朝内，圆形阵列均布；四个外凸连杆2的一端连接相邻一侧内折弯支柱1的上端，另一端连接另一侧内折弯支柱1的下端，四个外凸连杆2两端面上下交错串行连接四个内折弯支柱1；四个第一质量块，即圆柱状质量块3分别安装在四个外凸连杆2的中间位置，每个圆柱状质量块3的直径和长度分别为外凸连杆2的直径、长度的1.5倍和三分之一，形成图1所示的一个具有吸能减振特性的点阵胞元结构。

在本实施例中，内折弯支柱1采用内折弯圆截面支柱，外凸连杆2采用外凸圆截面连杆。

需要说明的是，对图1所示的胞元结构进行X、Y方向的阵列复制，可形成点阵平面结构；对图1所示的胞元结构进行X、Y、Z方向的复制，可形成图2中的点阵立体结构。

实施例2：

参阅图3。本实施例与上述实施例1的不同点在于，去除圆柱状质量块3，其它组成、安装与连接关系与实施例1相同，形成一种具有吸能特性的点阵胞元结构。

实施例3：

参阅图3。本实施例与上述实施例1的不同点在于，新增连接连杆(即圆截面连杆4)、连接支杆(即圆截面支杆5)和第二质量块(即方形质量块6)，方形质量块6分别与四个圆截面连杆4、四个内折弯支柱1和两个圆截面支杆5连接，形成一个具有吸能减振特性的新点阵胞元结构。

需要说明的是，本实施例中内折弯支柱1、外凸连杆2、圆柱状质量块3、圆截面连杆4、圆截面支杆5和方形质量块6可分别由同种或不同种材料制造，本实施例对此不做限制。

本实施例提供了一种具有吸能减振特性的点阵胞元结构、平面结构及立体结构，通过构建一种变型的负泊松比结构在小变形范围具有较高的结构刚度，而在大冲击载荷作用下，又具有较大范围的形变空间，能够像弹簧一样良好吸收冲击动能，将其转变为机械形变势能，在具有较高支撑刚度同时，仍具有较高的空隙率，具有减重效果好、刚度较高、吸能缓冲性能佳、减振特性好等优点，良好满足了航空、航天、车载等机动、运动平台上各类设备的轻量化和力学环境适应性设计需求。

以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种具有吸能减振特性的点阵胞元结构，其特征在于，所述点阵胞元结构包括不少于3个的内折弯支柱和不少于3个的外凸连杆，每个所述外凸连杆的上下两端面分别与相邻的两个折弯支柱各自的一个端面上下交错串行连接，以使若干个内折弯支柱和若干个外凸连杆构成环形的闭口阵列；所述内折弯支柱的折弯方向均向内，并按圆形或多边形进行阵列排布，所述外凸连杆凸出部位均向外，并按圆形或多边形阵列排布。

2.如权利要求1所述的具有吸能减振特性的点阵胞元结构，其特征在于，所述点阵胞元结构还包括第一质量块，所述第一质量块设于所述外凸连杆。

3.如权利要求2所述的具有吸能减振特性的点阵胞元结构，其特征在于，所述第一质量块的横截面尺寸均大于所述外凸连杆的横截面尺寸，所述第一质量块的长度尺寸不大于所示外凸连杆长度尺寸的1/2。

4.一种具有吸能减振特性的点阵平面结构，其特征在于，包括若干个如权利要求1-3任意一项所述的点阵胞元结构，每个所述点阵胞元结构并排设置，且相邻所述点阵胞元结构的相邻端面共用。

5.一种具有吸能减振特性的点阵立体结构，其特征在于，包括若干层如权利要求4所述的点阵平面结构，每层所述点阵平面结构重叠设置，且相邻所述点阵平面结构中对应的点阵胞元结构的相邻端面共用。

6.如权利要求5所述的具有吸能减振特性的点阵立体结构，其特征在于，所述点阵立体结构中的每个点阵胞元结构还设有第二质量块，所述第二质量块设于若干个所述内折弯支柱和若干个所述外凸连杆形成的胞元结构内，所述第二质量块通过若干个连接连杆与对应的内折弯支柱的折弯处连接，相邻所述点阵平面结构中对应的点阵胞元结构的第二质量块通过连接支杆连接。

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