CN115230247B - 一种多区高强韧仿生抗冲击复合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及抗冲击防护材料技术领域，提供一种多区高强韧仿生抗冲击复合结构，包括多板区、循环螺旋堆叠区以及互渗区，多板区、循环螺旋堆叠区以及互渗区由下至上依次层叠设置并连接；多板区包括至少两层底板层叠设置，且相邻的底板固定连接；循环螺旋堆叠区包括至少两个具有不同中心轴线的螺旋结构层叠设置，且相邻的螺旋结构固定连接；互渗区包括至少一个互渗结构；至少两层底板的中心轴线和至少一个互渗结构的中心轴线共线，并与至少两个螺旋结构的中心轴线平行。通过互渗区、循环螺旋堆叠区以及多板区的协同，延缓裂纹或降低断裂，并能够在多角度冲击载荷下分别沿着周向和轴向方向实现能量耗散，有效阻止冲击载荷在结构内部产生的应力集中。
Description
技术领域
本发明涉及抗冲击防护材料技术领域，更具体地说，是涉及一种多区高强韧仿生抗冲击复合结构。
背景技术
随着航空航天、交通运输、船舶制造、军事等领域的技术发展，其关键部件对结构抗冲击性能的需求也日益增加，如航空发动机叶片、机翼蒙皮、船舶外板、新能源电动汽车的电池壳的结构设计等。然而，现有大多数抗冲击结构难以将多角度冲击载荷导向至周向和轴向方向上，易导致冲击载荷在结构内部产生应力集中，使裂纹在局部方向上快速扩散，造成材料的韧性不足，严重制约了抗冲击材料的工程应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多区高强韧仿生抗冲击复合结构，以解决现有技术中抗冲击材料存在的冲击载荷在结构内部产生应力集中，使裂纹在局部方向上快速扩散，造成材料韧性不足的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种多区高强韧仿生抗冲击复合结构，包括多板区、循环螺旋堆叠区以及互渗区，所述多板区、所述循环螺旋堆叠区以及所述互渗区由下至上依次层叠设置并连接；
所述多板区包括至少两层底板层叠设置，且相邻的所述底板固定连接；
所述循环螺旋堆叠区包括至少两个具有不同中心轴线的螺旋结构层叠设置，且相邻的所述螺旋结构固定连接；
所述互渗区包括至少一个互渗结构；
至少两层所述底板的中心轴线和至少一个所述互渗结构的中心轴线共线，并与至少两个所述螺旋结构的中心轴线平行。
根据上述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，所述互渗结构包括第一压板、亚圆板以及第二压板，所述第一压板、所述亚圆板以及所述第二压板由下至上依次间隔设置；
所述互渗结构还包括多个圆台束，所述圆台束穿设于所述亚圆板上，且所述圆台束的顶端与所述第二压板连接，所述圆台束的底端与所述第一压板具有第一间隙；
所述互渗结构还包括多个圆柱肋，所述圆柱肋穿设于所述亚圆板上，且所述圆柱肋的底端与所述第一压板连接，所述圆柱肋的顶端与所述第二压板具有第二间隙；
所述第一间隙和所述第二间隙相等。
根据上述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，所述亚圆板上第一圆环和第二圆环，所述第二圆环围设于所述第一圆环的外围并间隔设置；
所述第一圆环的外环四周设有多个等间距的肋条，所述肋条一端与所述第一圆环连接，所述肋条另一端与所述第二圆环连接。
根据上述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，所述亚圆板上还设有多个第一圆台束圆环，所述圆台束设于所述第一圆台束圆环内，且每一所述第一圆台束圆环设于所述肋条的端部，且所述第一圆台束圆环内切于所述第二圆环。
根据上述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，所述亚圆板上还设有第二圆台束圆环，所述圆台束设于所述第二圆台束圆环内，且所述第二圆台束圆环设于相间的所述肋条上；
所述亚圆板上第三圆环，所述第三圆环设于所述第一圆环和所述第二圆环之间，且所述第二圆台束圆环位于所述第三圆环和所述肋条相交处。
根据上述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，所述肋条上设有第一圆柱肋孔，所述圆柱肋设于第一圆柱肋孔内，且所述第一圆柱肋孔数量与所述第一圆台束圆环相对应；
所述第二圆环上设有第二圆柱肋孔，所述圆柱肋设于第二圆柱肋孔内，且所述第二圆柱肋孔数量与所述第二圆台束圆环相对应。
根据上述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，所述第一圆环设有过渡圆角，且所述过渡圆角位于相邻的所述肋条之间。
根据上述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，所述第一压板、第二压板以及底板尺寸相同。
根据上述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，所述互渗区包括多个互渗结构，多个所述互渗结构层叠设置并连接，且多个所述互渗结构的中心轴线共线。
根据上述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，每一所述螺旋结构包括至少两层螺旋板，且各所述螺旋板交叠并呈螺旋状，各所述螺旋板的中心轴线共线，相邻的所述螺旋板之间所成夹角相同。
本发明提供的多区高强韧仿生抗冲击复合结构的有益效果至少在于：
本发明提供的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，通过互渗区、循环螺旋堆叠区以及多板区的协同，延缓裂纹或降低断裂，并且能够在多角度冲击载荷下分别沿着周向和轴向方向实现能量耗散，有效阻止冲击载荷在结构内部产生的应力集中，整体上提升了材料的强度和韧性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的复合结构的结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的复合结构的结构示意图二；
图3为本发明实施例提供的复合结构的尺寸标注示意图；
图4为本发明实施例提供的亚圆板的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的亚圆板的尺寸标注示意图；
图6为本发明实施例提供的螺旋结构的结构示意图。
其中，图中各附图标记：
100、复合结构；110、多板区；111、底板；120、循环螺旋堆叠区；121、螺旋结构；1211、螺旋板；130、互渗区；131、互渗结构；1311、第一压板；1312、亚圆板；13121、第一圆环；13122、第二圆环；13123、肋条；13124、第一圆台束圆环；13125、第二圆台束圆环；13126、第三圆环；13127、第一圆柱肋孔；13128、第二圆柱肋孔；13129、过渡圆角；1313、第二压板；1314、圆台束；1315、圆柱肋；1316、第三压板。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1，本实施例提供了一种多区高强韧仿生抗冲击复合结构100，包括多板区110、循环螺旋堆叠区120以及互渗区130，所述多板区110、所述循环螺旋堆叠区120以及所述互渗区130由下至上依次层叠设置并连接；所述多板区110包括至少两层底板111层叠设置，且相邻的所述底板111固定连接；所述循环螺旋堆叠区120包括至少两个具有不同中心轴线的螺旋结构121层叠设置，且相邻的所述螺旋结构121固定连接；所述互渗区130包括至少一个互渗结构131；至少两层所述底板111的中心轴线和至少一个所述互渗结构131的中心轴线共线，并与至少两个所述螺旋结构121的中心轴线平行。可选的是，至少两层所述底板111的中心轴线和至少一个所述互渗结构131的中心轴线共线，记为C轴。至少两个所述螺旋结构121的中心轴线至少分别记为A轴和B轴。
本实施例提供的多区高强韧仿生抗冲击复合结构100的工作原理如下：
自然界中的生物经过亿万年残酷进化，已形成了性能优异的天然结构材料，表现出优异的轻质、高强、抗冲击特性，这为轻质、高强抗冲击材料的设计提供了思路。例如，螳螂虾的鳌棒能够击穿较为坚韧的贝壳材料，其攻击猎物时的冲击力甚至可以达到60kg，攻击速度达到80km/h，其内部结构主要由冲击区、周期区、条纹区组成。枪虾的大螯能够在不接触猎物的情况下将其击晕或杀死，其攻击猎物时可喷射高达100km/h的水流，产生的空化气泡破裂时压力脉冲可达30-90psi，但其螯部仍能免遭灾难性破坏。此外，刺猬刺是刺猬天生的盔甲，表现出极好的强度和韧性，它不仅可以承受1×106～3×106倍的轴向和周向的力，还能以15m/s的速度掉到地上不受弹性弯曲的伤害。
上述生物结构即具有轻量化的优点同时也兼具高耐冲击的性能。因此，受生物多区不同功能结构的启发，通过不同结构相互组合、协同作用来实现结构的一体化优异性能，为实现工程材料领域中轻质、高强韧、抗冲击的要求提供了较为良好的思路。
因而本实施例提供的多区高强韧仿生抗冲击复合结构100，将多板区110、循环螺旋堆叠区120以及互渗区130由下至上依次层叠设置。当整个复合结构100受到外部荷载时，也即互渗区130受到外部荷载，其互渗区130包括的至少一个互渗结构131受到外部荷载，其互渗结构131具有延缓裂纹或降低断裂的作用；循环螺旋堆叠区120包括有至少两个具有不同中心轴线的螺旋结构121，也即至少两个螺旋结构121是呈异轴状态，并且互渗结构131的中心轴线与至少两个螺旋结构121的中心轴线是平行的，整个循环螺旋堆叠区120在抗冲击的基础上增强了抗弯扭的能力，也可使裂纹不断地发生偏转和扭曲，增加裂纹传播路径，进而增加了外部载荷在周向上的能量耗散、提高了互渗区130在轴向上的承载能力。同时，多板区110包括至少两层底板111层叠设置，整个多板区110呈薄层结构，其能够缓解循环螺旋堆叠区120传递下来的载荷在局部产生应力集中。
本实施例提供的多区高强韧仿生抗冲击复合结构100的有益效果至少在于：
本实施例提供的多区高强韧仿生抗冲击复合结构100，通过互渗区130、循环螺旋堆叠区120以及多板区110的协同，延缓裂纹或降低断裂，并且能够在多角度冲击载荷下分别沿着周向和轴向方向实现能量耗散，有效阻止冲击载荷在结构内部产生的应力集中，整体上提升了材料的强度和韧性。
可选的是，所述互渗区130、循环螺旋堆叠区120和多板区110中的基体材料为热固性树脂或热塑性树脂，包括：环氧树脂、酚醛树脂、聚酯树脂、乙烯基酯中的一种或多种或聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、橡胶中的一种或多种；纤维增强材料包括：超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维中的一种或多种；硅烷偶联剂包括：三氯乙烯基硅烷、三乙氧基乙烯基硅烷、γ-氨基丙基三乙氧硅烷、三氯丙烯基硅烷中的一种或多种；抗氧化剂包括：丁基羟基茴香醚、二丁基羟基甲苯、叔丁基对苯二酚中的一种或多种。
在一个实施例中，请参阅图1和图2，所述互渗结构131包括第一压板1311、亚圆板1312以及第二压板1313，所述第一压板1311、所述亚圆板1312以及所述第二压板1313由下至上依次间隔设置；所述互渗结构131还包括多个圆台束1314，所述圆台束1314穿设于所述亚圆板1312上，且所述圆台束1314的顶端与所述第二压板1313连接，所述圆台束1314的底端与所述第一压板1311具有第一间隙a；所述互渗结构131还包括多个圆柱肋1315，所述圆柱肋1315穿设于所述亚圆板1312上，且所述圆柱肋1315的底端与所述第一压板1311连接，所述圆柱肋1315的顶端与所述第二压板1313具有第二间隙b；所述第一间隙a和所述第二间隙b相等。
当互渗结构131受到外部荷载时，也即位于上方的第二压板1313受到外部荷载，第二压板1313将受到的外部荷载递给与第二压板1313连接的圆台束1314，第二压板1313和圆台束1314同时向下运动并挤压亚圆板，圆台束1314的底端与第一压板1311之间的第一间隙a变小，直至圆台束1314的底端与第一压板1311的上表面抵接，圆柱肋1315的顶端与第二压板1313之间的第二间隙b变小，直至第二压板1313的下表面与圆柱肋1315的顶端抵接，且第一间隙a和第二间隙b相等，第一间隙a和第二间隙b的设置避免了互渗结构131承载多角度外载荷时发生折断，当载荷过大时，未接触的部分将贴合，共同承担载荷，进而实现了延缓裂纹或降低断裂情况的发生。
可选的是，请参阅图3，亚圆板1312的厚度H1为0μm＜H1≤2kμm(k为调整系数，取值范围1≤k≤10)。可选的是，亚圆板1312的厚度H1＝1μm。可选的是，亚圆板1312的厚度H1＝3μm。
可选的是，圆柱肋1315的高度范围H1＜HC≤7H1。
可选的是，圆柱肋1315的高度HC＝5μm。
可选的是，圆柱肋1315的高度HC＝12μm。
可选的是，圆台束1314顶端的直径大于底端的直径。圆台束1314顶端的直径D7＝d+k2(k2∈k，k为调整系数，取值范围1≤k≤10)和底端直径D8＝d-k3(k3∈k，k为调整系数，取值范围1≤k≤10)，且D7＞d＞D8。
可选的是，圆台束1314顶端的直径D7＝2μm，圆台束1314底端直径D8＝1μm。
可选的是，圆台束1314顶端的直径D7＝10μm，圆台束1314底端直径D8＝6μm。
可选的是，所述圆台束1314的高度H2和所述圆柱肋1315的高度HC相等，即H2＝HC。
可选的是，圆台束1314位于亚圆板1312上方的高度h1＝H2-H1-k4(k4∈k，k为调整系数，取值范围1≤k≤10)、位于亚圆板1312下方的高度h2＝H2-h1，圆柱肋1315位于亚圆板1312上的高度hC1＝h2、位于亚圆板1312下的高度hC2＝h1。
可选的是，所述圆台束1314的高度H2＝HC＝5μm。
可选的是，所述圆台束1314的高度H2＝HC＝12μm。
可选的是，圆台束1314位于亚圆板1312上方的高度h1＝2.5μm，位于亚圆板1312下方的高度h2＝1.5μm，并且圆柱肋1315位于亚圆板1312上的高度hC1＝h2＝1.5μm、圆柱肋1315位于亚圆板1312下的高度hC2＝h1＝2.5μm。
可选的是，圆台束1314位于亚圆板1312上方的高度h1＝6μm，位于亚圆板1312下方的高度h2＝3μm，并且圆柱肋1315位于亚圆板1312上的高度hC1＝h2＝3μm、圆柱肋1315位于亚圆板1312下的高度hC2＝h1＝6μm。
可选的是，圆台束1314的数量为9-45个。
可选的是，圆台束1314的数量为30个。
可选的是，圆台束1314的数量为36个。
在一个实施例中，请参阅图4，所述亚圆板1312上第一圆环13121和第二圆环13122，所述第二圆环13122围设于所述第一圆环13121的外围并间隔设置；所述第一圆环13121的外环四周设有多个等间距的肋条13123，所述肋条13123一端与所述第一圆环13121连接，所述肋条13123另一端与所述第二圆环13122连接。这样设置的亚圆板1312结构牢固，不易被外部荷载所损坏。
可选的是，请参阅图5，第二圆环13122的外环直径D1为42μm≤D1≤200μm，第二圆环13122的壁厚[W1]＝D1×n([W]为取整函数，n为壁厚调整系数，n取0.027)。
可选的是，第二圆环13122的外环直径D1＝49μm，壁厚[W1]＝1μm。
可选的是，第二圆环13122的外环直径D1＝150μm，壁厚[W1]＝4μm。
可选的是，肋条13123的宽度
可选的是，肋条13123的宽度B＝1.5μm。
可选的是，肋条13123的宽度B＝4μm。
可选的是，肋条13123的宽度B等于圆柱肋1315的直径D9。
可选的是，圆柱肋1315的直径D9为1.5μm。
可选的是，圆柱肋1315的直径D9为4μm。
可选的是，第一圆环13121的内环直径D3，第一圆环13121的外环直径D4，且D3＝D4-2k1(k1∈k，k为调整系数，取值范围1≤k≤10)。
可选的是，第一圆环13121的内环直径D3＝6.56μm，第一圆环13121的外环直径D4＝14.56μm。
可选的是，第一圆环13121的内环直径D3＝18.35μm，第一圆环13121的外环直径D4＝38.35μm。
在一个实施例中，请参阅图4，所述亚圆板1312上还设有多个第一圆台束圆环13124，所述圆台束1314设于所述第一圆台束圆环13124内，且每一所述第一圆台束圆环13124设于所述肋条13123的端部，且所述第一圆台束圆环13124内切于所述第二圆环13122。
第一圆台束圆环13124的设置用于固定圆台束1314，当第二压板1313受到外部荷载时，第一圆台束圆环13124对圆台束1314的位置进行限位，进而实现提高复合材料整体的强度和韧性，避免受到外部荷载后被损坏。
可选的是，第一圆台束圆环13124的外环的直径d为1μm≤d≤20μm，壁厚W2＝[W1]/2。
可选的是，第一圆台束圆环13124的外环的直径d＝1.5μm，壁厚W2＝0.5μm。
可选的是，第一圆台束圆环13124的外环的直径d＝8μm，壁厚W2＝2μm。
在一个实施例中，请参阅图4，所述亚圆板1312上还设有多个第二圆台束圆环13125，所述圆台束1314设于所述第二圆台束圆环13125内，且每一所述第二圆台束圆环13125设于相间的所述肋条13123上；
所述亚圆板1312上第三圆环13126，所述第三圆环13126设于所述第一圆环13121和所述第二圆环13122之间，且所述第二圆台束圆环13125位于所述第三圆环13126和所述肋条13123相交处。
第二圆台束圆环13125的设置也用于放置圆台束1314，并且第二圆台束圆环13125位于第三圆环13126和所述肋条13123相交处，其整体上更进一步的提高复合材料整体的强度和韧性，避免受到外部荷载后被损坏。
可选的是，第二圆台束圆环13125的外环的直径d为1μm≤d≤20μm，与第一圆台束圆环13124的外环的直径d相同，壁厚W2＝[W1]/2，第一圆台束圆环13124的壁厚相同。
可选的是，第二圆台束圆环13125的外环的直径d＝1.5μm，壁厚W2＝0.5μm。
可选的是，第二圆台束圆环13125的外环的直径d＝8μm，壁厚W2＝2μm。
可选的是，第三圆环13126的外环直径D2＝D1/2。
可选的是，第三圆环13126的外环直径D2＝24.5μm。
可选的是，第三圆环13126的外环直径D2＝75μm。
可选的是，第一圆台束圆环13124的数量为6～30个。
可选的是，第二圆台束圆环13125的数量为第一圆台束圆环13124的数量的一半，且间隔一个肋条13123设置。
可选的是，第一圆台束圆环13124的数量为6～30个，第二圆台束圆环13125的数量为3～15个。
可选的是，第一圆台束圆环13124的数量为20个，第二圆台束圆环13125的数量为10个。
可选的是，第一圆台束圆环13124的数量为24个，第二圆台束圆环13125的数量为12个。
在一个实施例中，请参阅图4，所述肋条13123上设有第一圆柱肋孔13127，所述圆柱肋1315设于第一圆柱肋孔13127内，且所述第一圆柱肋孔13127数量与所述第一圆台束圆环13124相对应；所述第二圆环13122上设有第二圆柱肋孔13128，所述圆柱肋1315设于第二圆柱肋孔13128内，且所述第二圆柱肋孔13128数量与所述第二圆台束圆环13125相对应。
第一圆柱肋孔13127和第二圆柱肋孔13128的设置均用于圆柱肋1315穿过亚圆板1312，其可以更好对圆柱肋1315的位置进行限位，进而提高复合材料整体的强度和韧性。
可选的是，第一圆柱肋孔13127的圆心位于直径为的圆周上等间距分布。
可选的是，第一圆柱肋孔13127的圆心位于直径为D5＝35.38μm的圆周上等间距分布。
可选的是，第一圆柱肋孔13127的圆心位于直径为D5＝106.5μm的圆周上等间距分布。
可选的是，第二圆柱肋孔13128的圆心位于直径为的圆周上等间距分布。
可选的是，第二圆柱肋孔13128的圆心位于直径为D6＝10.56μm的圆周上等间距分布。
可选的是，第二圆柱肋孔13128的圆心位于直径为D6＝28.35μm的圆周上等间距分布。
在一个实施例中，请参阅图4，所述第一圆环13121设有过渡圆角13129，且所述过渡圆角13129位于相邻的所述肋条之间。过渡圆角13129的设置，可以避免应力集中。
可选的是，过渡圆角13129的所在圆心衍生的周向共线圆为第一圆环13121的外环。
可选的是，过渡圆角13129取值范围0＜R≤5μm。
可选的是，过渡圆角13129R＝0.2μm。
可选的是，过渡圆角13129R＝1μm。
在一个实施例中，所述第一压板1311、第二压板1313以及底板111尺寸相同，实现了整体的对称或均衡，杜绝出现应力集中，以避免不必要的灾难性破坏。
在一个实施例中，请参阅图1，所述互渗区130包括多个互渗结构131，多个所述互渗结构131层叠设置并连接，且多个所述互渗结构131的中心轴线共线。也整个互渗区130的中心轴线位于同一轴线上，为C轴。
可选的是，互渗区130包括两个互渗结构131，且呈上下层叠设置，位于上层的互渗结构131和位于下层的互渗结构131交叠处共用一个压板。具体地，互渗区130包括两个互渗结构131从下至上依次包括第一压板1311、亚圆板1312、第二压板1313、亚圆板1312以及第三压板1316，也即第二压板1313是两个互渗结构131之间共用的，换句话说，压板的数量始终比亚圆板1312的数量多一个。
可选的是，第一压板1311、第二压板1313以及第三压板1316均为正方形，边长L＝D1，厚度范围为H1≤H3≤4H1；第一压板1311和第二压板1313之间、第二压板1313和第三压板1316之间的距离均为H4＝2h1；整个互渗区130的厚度为H5＝(t+1)H3+tH4，1＜t≤2k5(t为调整系数，k5∈k，k为调整系数，取值范围1≤k≤10)。
可选的是，边长L＝D1＝49μm。
可选的是，边长L＝D1＝150μm。
可选的是，第一压板1311、第二压板1313以及第三压板1316的厚度H3＝2μm，第一压板1311和第二压板1313之间、第二压板1313和第三压板1316之间的距离H4＝5μm，互渗区130的整体高厚度H5＝11μm。
可选的是，第一压板1311、第二压板1313以及第三压板1316的厚度H3＝3μm，第一压板1311和第二压板1313之间、第二压板1313和第三压板1316之间的距离H4＝12μm，互渗区130的整体高厚度H5＝33μm。
应当理解的是，互渗区130包括的互渗结构131的数量并不限于为上述情形，还可以是其他情形，此处不作限制。
在一个实施例中，请参阅图1和图6，每一所述螺旋结构121包括至少两层螺旋板1211，且各所述螺旋板1211交叠并呈螺旋状，各所述螺旋板1211的中心轴线共线，相邻的所述螺旋板1211之间所成夹角β相同，层与层之间回旋角度取值范围为0°≤β≤π。这样设置可以增加外部荷载在周向上的能量耗散，进而提高互渗区130在周向上的承载能力。
可选的是，循环螺旋堆叠区120包括两个具有不同中心轴线的螺旋结构121，分别为A轴和B轴，每一所述螺旋结构121包括三层螺旋板1211，三层螺旋板1211交叠并呈螺旋状，相邻的螺旋板1211之间所成夹角相同。
可选的是，循环螺旋堆叠区120单层的螺旋板1211厚度为h3＝H6/Z1(1μm≤h3≤3k6-1μm)(k6∈k，k为调整系数，取值范围1≤k≤10)，循环堆叠区层数Z1(Z1∈N+)必须保证Z1×β≥π。当回旋角度选定后，循环螺旋堆叠区120内各相邻层均应按此角度在对应A轴或B轴位置回旋。
可选的是，单层的螺旋板1211厚度h3＝0.45μm，层与层之间回旋角度取值β＝π/6。
可选的是，单层的螺旋板1211厚度h3＝2.75μm，层与层之间回旋角度取值β＝π/3。
在一个实施例中，循环螺旋堆叠区120包括两个具有不同中心轴线的螺旋结构121，分别为A轴和B轴。两中心轴线以约束圆上同一根直径的两端点为基准，且两中心轴线(A轴和B轴)与互渗区130的中心轴线平行，约束圆直径取值范围0μm＜φx≤14μm，当沿A轴堆叠完整最小正周期后沿B轴继续堆叠，循此往复。
可选的是，约束圆直径取值φx＝6μm。
可选的是，约束圆直径取值φx＝10μm。
可选的是，循环螺旋堆叠区120整体高度H6与互渗区130整体高度H5比例关系为：jH6＝H5(1≤j≤5)。
可选的是，循环螺旋堆叠区120整体高度H6与互渗区130整体高度H5比例关系为：2H6＝H5。
可选的是，循环螺旋堆叠区120层数Z1必须保证Z1×β≥π，本实例中取Z1＝12层。
可选的是，循环螺旋堆叠区120层数Z1必须保证Z1×β≥π，本实例中取Z1＝6层。
可选的是，多板区110整体高度[H7]＝1/j1H5(j1∈j)，多板区110包括的底板111层数Z2＝[H7]/y，y∈(0,2k7-1]，(k7∈k，k为调整系数，取值范围1≤k≤10，Z2∈N+)。
可选的是，所述多板区110的整体厚度为2μm～20μm。将多板区110的厚度设置为2μm～20μm，此薄层结构能够缓解循环螺旋堆叠区120传递下来的载荷在局部产生应力集中。
可选的是，所述多板区110的整体厚度为2μm。
可选的是，所述多板区110的整体厚度为8μm。
综上所述，本实施例提供了一种多区高强韧仿生抗冲击复合结构100，包括多板区110、循环螺旋堆叠区120以及互渗区130，所述多板区110、所述循环螺旋堆叠区120以及所述互渗区130由下至上依次层叠设置并连接；所述多板区110包括至少两层底板111层叠设置，且相邻的所述底板111固定连接；所述循环螺旋堆叠区120包括至少两个具有不同中心轴线的螺旋结构121层叠设置，且相邻的所述螺旋结构121固定连接；所述互渗区130包括至少一个互渗结构131；至少两层所述底板111的中心轴线和至少一个所述互渗结构131的中心轴线共线，并与至少两个所述螺旋结构121的中心轴线平行。本实施例提供的多区高强韧仿生抗冲击复合结构100，通过互渗区130、循环螺旋堆叠区120以及多板区110的协同，延缓裂纹或降低断裂，并且能够在多角度冲击载荷下分别沿着周向和轴向方向实现能量耗散，有效阻止冲击载荷在结构内部产生的应力集中，整体上提升了材料的强度和韧性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种多区高强韧仿生抗冲击复合结构，其特征在于，包括多板区、循环螺旋堆叠区以及互渗区，所述多板区、所述循环螺旋堆叠区以及所述互渗区由下至上依次层叠设置并连接；
所述多板区包括至少两层底板层叠设置，且相邻的所述底板固定连接；
所述循环螺旋堆叠区包括至少两个具有不同中心轴线的螺旋结构层叠设置，且相邻的所述螺旋结构固定连接；
所述互渗区包括至少一个互渗结构；
至少两层所述底板的中心轴线和至少一个所述互渗结构的中心轴线共线，并与至少两个所述螺旋结构的中心轴线平行；
所述互渗结构包括第一压板、亚圆板以及第二压板，所述第一压板、所述亚圆板以及所述第二压板由下至上依次间隔设置；
所述互渗结构还包括多个圆台束，所述圆台束穿设于所述亚圆板上，且所述圆台束的顶端与所述第二压板连接，所述圆台束的底端与所述第一压板具有第一间隙；
所述互渗结构还包括多个圆柱肋，所述圆柱肋穿设于所述亚圆板上，且所述圆柱肋的底端与所述第一压板连接，所述圆柱肋的顶端与所述第二压板具有第二间隙；
所述第一间隙和所述第二间隙相等。
2.如权利要求1所述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，其特征在于，所述亚圆板上第一圆环和第二圆环，所述第二圆环围设于所述第一圆环的外围并间隔设置；
所述第一圆环的外环四周设有多个等间距的肋条，所述肋条一端与所述第一圆环连接，所述肋条另一端与所述第二圆环连接。
3.如权利要求2所述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，其特征在于，所述亚圆板上还设有多个第一圆台束圆环，所述圆台束设于所述第一圆台束圆环内，且每一所述第一圆台束圆环设于所述肋条的端部，且所述第一圆台束圆环内切于所述第二圆环。
4.如权利要求3所述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，其特征在于，所述亚圆板上还设有第二圆台束圆环，所述圆台束设于所述第二圆台束圆环内，且所述第二圆台束圆环设于相间的所述肋条上；
所述亚圆板上第三圆环，所述第三圆环设于所述第一圆环和所述第二圆环之间，且所述第二圆台束圆环位于所述第三圆环和所述肋条相交处。
5.如权利要求4所述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，其特征在于，所述肋条上设有第一圆柱肋孔，所述圆柱肋设于第一圆柱肋孔内，且所述第一圆柱肋孔数量与所述第一圆台束圆环相对应；
所述第二圆环上设有第二圆柱肋孔，所述圆柱肋设于第二圆柱肋孔内，且所述第二圆柱肋孔数量与所述第二圆台束圆环相对应。
6.如权利要求2所述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，其特征在于，所述第一圆环设有过渡圆角，且所述过渡圆角位于相邻的所述肋条之间。
7.如权利要求1所述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，其特征在于，所述第一压板、第二压板以及底板尺寸相同。
8.如权利要求1所述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，其特征在于，所述互渗区包括多个互渗结构，多个所述互渗结构层叠设置并连接，且多个所述互渗结构的中心轴线共线。
9.如权利要求1所述的多区高强韧仿生抗冲击复合结构，其特征在于，每一所述螺旋结构包括至少两层螺旋板，且各所述螺旋板交叠并呈螺旋状，各所述螺旋板的中心轴线共线，相邻的所述螺旋板之间所成夹角相同。
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| GR01 | Patent grant | ||
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