CN115574031A - 一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构及制备方法。高聚物由于其形变大、弹性模量小、以及高粘性的特征以及已经被广泛的应用于降低冲击载荷作用；橡胶属于高聚物品种类型，在冲击时通过大变形作用减少力的传递，并在内阻尼的作用下消耗能量，减小余震；本发明不同于传统的橡胶隔振器仅考虑用橡胶作为隔振系统，通过梯度设计多孔混杂的排布方式，使隔振系统既能够在收到振动冲击使具有良好的冲击隔离效果，又通过插管的方式提升隔振系统的强度，防止变形过大。本发明涉及该隔振系统的制造工艺，通过模具和预埋、定位等方式，对聚氨酯隔振系统进行一次成型，无需后续进行粘接制备，能够完整地成型聚氨酯多孔混杂结构隔振结构。

Description

一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构及制备方法
技术领域
本发明涉及一种超弹混杂人工周期结构及制备方法，具体涉及一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构及制备方法。
背景技术
聚氨酯是一种高分子材料，具有各向同性、大变形、高弹性和难压缩的特性，是典型的超弹性材料，在工程上常用作隔振减振材料。它可以在冲击时通过大变形作用减少力的传递，并在内阻尼的作用下消耗能量，减小余震。而多孔结构在隔冲、吸能等发面具有显著优势。在制备超弹性多孔混杂结构时，一般会采取先制备成型聚氨酯与碳纤维管，通过粘接工艺成型。本发明通过聚氨酯浇注胶(CPUR)一步法合成，将聚合物、固化剂、软化剂放在一起，经充分混合后浇入磨具中加热固化，待尺寸稳定后进行后硫化，从而可直接将碳纤维管或铝管与聚氨酯进行连接，从而达到一体成型的目的。
发明内容
本发明为提高多孔聚氨酯结构的承载和吸能能力，在聚氨酯结构的孔隙处使用复合材料进行加强，提供了一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构及制备方法。
本发明涉及的一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构，由聚氨酯基体和复合材料圆管增强体组成。所述结构不仅保留了多孔聚氨酯结构隔冲减振的优势，还极大增强了其承载能力和吸能能力，在受到冲击时，能有效的隔绝冲击能量，还可以通过碳纤维圆管破损吸收更多能量，从而达到冲击防护的效果。
本发明所述结构还包括以下特征：
所述结构为多孔结构，孔洞的形状、排布和尺寸可根据实际需求，通过计算进行更改；
所述增强结构材料可选用碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料或金属等强度、刚度较高的材料；
所述增强结构厚度可根据工程需求进行改变；
所述结构由聚氨酯和增强结构制备而成，聚氨酯提供隔冲减振特性，增强结构主要用于加强吸能和承载能力；
一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构及其制备工艺，其特征在于所述制备方法步骤如下：
(1)根据需求计算隔振系统的固有频率和结构尺寸，确定合适的聚氨酯材料参数；
(2)选取直径合适的碳纤维管作为结构的一部分；
(3)确定隔冲器的梯度排布为交错排布的“品”字形排布，同时根据梯度排布制作碳纤维管定位模具和聚氨酯多孔结构模具；
(4)通过除水、预热、抽泡、浇注、固化等工艺完成聚氨酯多孔材料的制备；
(5)模具由六部分组成，螺栓连接。凸台用于定位圆管的位置。主体为平板结构，侧边出沟槽用于注浇料体。
(6)用Q235钢制作模具本体。圆管全部安装到位后，进行预聚化料体化料、固
化剂固化、浇筑料体、加热模具、开模和后硫化等工序，完成聚氨酯隔冲器的制备。
本发明还有一些特征：
所述模具分三部分，分别为底座、圆管和外边框，正面上有若干圆孔，用于定位圆管位置；
所述聚氨酯硬度、模量可依照需求，调整原材料配比；
聚氨酯制备过程中可根据厚度大小调节注射料体的速度；
聚氨酯一步法成型是将聚合物经充分混合后浇入磨具中加热固化，待尺寸稳定后进行后硫化，后硫化温度条件为100℃下24h，
所述增强结构可选用不同标号的碳纤维，进一步提升结构的吸能能力；
本发明的有益效果在于：
本发明不同于以往的聚氨酯多孔结构承载能力差，吸能能力差的缺点，保留了减振和隔冲的特性，在制备过程中无需在聚氨酯成型后再次粘接碳纤维管，通过一次成型提高结构的可靠性，制备工艺成熟、高效、可靠，使结构整体质量轻且能够达到较好的减振、隔冲的作用。
附图说明
图1为本发明结构示意图；结构由两部分组成，分别为聚氨酯材料与增强管，聚氨酯上下粘接钢板，通过钢板与螺栓连接与其他结构进行连接；
图2为减振隔冲结构上下粘接钢板示意图；
图3为本发明中减振隔冲结构模具示意图；本发明模具中模块出凸台，用于定位圆管的位置。模具主体为平板结构，上板留凹槽进行注浇。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
参见图1，所述结构分为两部分，分别为聚氨酯与管状结构。图2为减振隔冲结构上下粘接钢板示意图。图3为减振隔冲结构模具，分为三部分，正前方面板用于定位圆管位置，因此一种兼具轻质高承载和减振隔冲特性的复合材料多孔结构的制备实施方式为：
(1)由工程实际需求，计算隔振系统的固有频率和结构尺寸，确定合适的聚氨酯材料参数
(2)选取直径合适的碳纤维管作为结构的一部分；
(3)确定隔冲器的梯度排布为交错排布的“品”字形排布，同时根据梯度排布制作碳纤维管定位模具和聚氨酯多孔结构模具；
(4)通过除水、预热、抽泡、浇注、固化等工艺完成聚氨酯多孔材料的制备；
(5)模具由六部分组成，螺栓连接。凸台用于定位圆管的位置。主体为平板结构，侧边出沟槽用于注浇料体；
(6)用Q235钢制作模具本体。圆管全部安装到位后，进行预聚化料体化料、固化剂固化、浇注料体、加热模具、开模和后硫化等工序，完成聚氨酯隔冲器的制备。
所述结构为多孔结构，其孔洞不局限于圆孔，可选用三角形、方形、六边形或不同孔洞组合的形式。
所述工艺为一体成型工艺，其原料不局限于聚合物二元醇、二异氰酸酯和软化剂，可选用适当的催化剂。
所述工艺为一体成型工艺，其原料注入方式不局限于单边注入，可根据实际情况，采取适当的注入速度和孔径。
本发明不仅保留了多孔聚氨酯结构隔冲减振的优势，还极大增强了其承载能力和吸能能力，在受到冲击时，能有效的隔绝冲击能量，还可以通过碳纤维圆管破损吸收更多能量，从而达到冲击防护的效果。本发明涉及该隔振系统的制造工艺，通过模具和预埋、定位等方式，对聚氨酯隔振系统进行一次成型；
一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构，所述结构不仅通过超弹性聚氨酯材料进行隔振吸能、隔离冲击，还通过人工管状结构对隔振系统进行增强，其中超弹性材料采用小弹性模量、低硬度的聚氨酯材料，同时多孔结构可以有效降低结构的固有频率，对隔冲效率有明显的提高作用，而通过碳纤维管，将隔振结构的抗冲击性能提高，降低结构的静挠度，使整体结构不会出现特别大的变形和位移，可以达到隔离冲击和使结构整体平稳的目的。
1.所述结构为多孔，主体结构采用聚氨酯材料。
2.人工管状周期增强结构的管状可选用不同的形状，在隔冲性能要求较低时，可选用圆管和矩形管，在隔冲性能要求较高时，可选用三角管，以达到隔离不同冲击大小的目的。
3.聚氨酯多孔结构的周期排布，呈现出底部排布多、上部排布少的特点，即在底部排满增强管，自底向上没排依次减少管的数量，且各管之间的排布呈现“品”字形排布，管与管之间的间隙控制在30-50mm，此种排布特点可有效降低隔振系统固有频率，提高隔冲效率。
一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)根据隔冲与隔振需求，拟采用通过采用隔冲效率δa来表征所设计隔冲器结构的隔冲效果：
Figure BDA0003888867720000041
其中，Am为设备加速度响应的最大值；An为基础激励加速度的最大值；
通过给定的冲击加速度谱，确定隔振系统的固有频率和结构尺寸，根方可达到隔离冲击的目的，其中w为冲击信号圆频率，wn为隔振系统圆频率，f为冲击信号频率，二者需满足如下关系：
w＝2πf
Figure BDA0003888867720000042
确定隔振系统的固有频率后，还需确定相应的材料参数，由于隔振结构采用超弹性聚氨酯材料，故可用过通过其剪切模量G与泊松比v＝0.5，确定超弹性参数C10与C01
Figure BDA0003888867720000043
C＝2(C10+C01)
E0＝6(C10+C01)
确定参数后，通过计算机模拟来判断结构是否满足相应的性能指标；
(2)根据需求选取直径合适的碳纤维管或铝管作为结构的一部分，若想要隔冲效果较好，可适当加大管的外径；
(3)根据需求选取多元醇和多异氰酸酯作为原材料；
(4)模具由六部分组成，螺栓连接，模块凸台，用于定位圆管的位置，模具主体为平板结构，侧边出沟槽用于注浇料体；
(5)用Q235钢制作模具本体，圆管全部安装到位后，进行预聚化料体化料、固化剂固化、浇筑料体、加热模具、开模和后硫化等工序，完成聚氨酯隔冲器的制备。
聚氨酯结构制备模具通过Q235钢来成型，模具由六部分构成，每部分通过螺栓连接，且模具具有定位圆管的功能。
将碳纤维管通过定位预埋进模具中，注入的聚氨酯料体发泡后，可直接与圆管粘接，无需进行二次粘接。
预聚体化料的温度要控制在70℃-80℃，时间控制在10-12小时。
固化剂选用DL-C固化剂，将预聚体与软化剂、DL-C固化剂，按照120:60:8的比例进行固化处理。
将预聚体与软化剂混合先加热至85℃，然后混合物按照配比110:5，搅拌均匀，抽真空脱泡后浇注；模具温度要控制在110℃左右，开模时间控制在60-80分钟，后硫化处理时间控制在24小时左右。
本发明公开了一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构及其制备工艺。高聚物由于其形变大、弹性模量小、以及高粘性的特征以及已经被广泛的应用于降低冲击载荷作用。橡胶属于高聚物品种类型，它可以在冲击时通过大变形作用减少力的传递，并在内阻尼的作用下消耗能量，减小余震。本发明不同于传统的橡胶隔振器仅考虑用橡胶作为隔振系统，通过梯度设计多孔混杂的排布方式，使隔振系统既能够在收到振动冲击使具有良好的冲击隔离效果，又通过插管的方式提升隔振系统的强度，防止变形过大。本发明涉及该隔振系统的制造工艺，通过模具和预埋、定位等方式，对聚氨酯隔振系统进行一次成型，无需后续进行粘接制备，能够高效、完整地成型聚氨酯多孔混杂结构隔振结构。
以上内容仅为本发明的较佳实施案例，对于本技术领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均可有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明限制。

Claims (10)

1.一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构，其特征在于，所述结构不仅通过超弹性聚氨酯材料进行隔振吸能、隔离冲击，还通过人工管状结构对隔振系统进行增强，其中超弹性材料采用小弹性模量、低硬度的聚氨酯材料，同时多孔结构可以有效降低结构的固有频率，对隔冲效率有明显的提高作用，而通过碳纤维管，将隔振结构的抗冲击性能提高，降低结构的静挠度，使整体结构不会出现特别大的变形和位移，可以达到隔离冲击和使结构整体平稳的目的。
2.根据权利要求1所述的具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构，其特征在于：所述结构为多孔，主体结构采用聚氨酯材料。
3.根据权利要求1所述的具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构，其特征在于：人工管状周期增强结构的管状可选用不同的形状，在隔冲性能要求较低时，可选用圆管和矩形管，在隔冲性能要求较高时，可选用三角管，以达到隔离不同冲击大小的目的。
4.根据权利要求1所述的具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构，其特征在于：聚氨酯多孔结构的周期排布，呈现出底部排布多、上部排布少的特点，即在底部排满增强管，自底向上没排依次减少管的数量，且各管之间的排布呈现“品”字形排布，管与管之间的间隙控制在30-50mm，此种排布特点可有效降低隔振系统固有频率，提高隔冲效率。
5.一种具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据隔冲与隔振需求，拟采用通过采用隔冲效率δa来表征所设计隔冲器结构的隔冲效果：
Figure FDA0003888867710000011
其中，Am为设备加速度响应的最大值；An为基础激励加速度的最大值；
通过给定的冲击加速度谱，确定隔振系统的固有频率和结构尺寸，根方可达到隔离冲击的目的，其中w为冲击信号圆频率，wn为隔振系统圆频率，f为冲击信号频率，二者需满足如下关系：
w＝2πf
Figure FDA0003888867710000012
确定隔振系统的固有频率后，还需确定相应的材料参数，由于隔振结构采用超弹性聚氨酯材料，故可用过通过其剪切模量G与泊松比v＝0.5，确定超弹性参数C10与C01
Figure FDA0003888867710000013
G＝2(C10+C01)
E0＝6(C10+C01)
确定参数后，通过计算机模拟来判断结构是否满足相应的性能指标；
(2)根据需求选取直径合适的碳纤维管或铝管作为结构的一部分，若想要隔冲效果较好，可适当加大管的外径；
(3)根据需求选取多元醇和多异氰酸酯作为原材料；
(4)模具由六部分组成，螺栓连接，模块凸台，用于定位圆管的位置，模具主体为平板结构，侧边出沟槽用于注浇料体；
(5)用Q235钢制作模具本体，圆管全部安装到位后，进行预聚化料体化料、固化剂固化、浇筑料体、加热模具、开模和后硫化等工序，完成聚氨酯隔冲器的制备。
6.根据权利要求5所述的具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构的制备方法，其特征在于：聚氨酯结构制备模具通过Q235钢来成型，模具由六部分构成，每部分通过螺栓连接，且模具具有定位圆管的功能。
7.根据权利要求5所述的具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构的制备方法，其特征在于：将碳纤维管通过定位预埋进模具中，注入的聚氨酯料体发泡后，可直接与圆管粘接，无需进行二次粘接。
8.根据权利要求5所述的具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构的制备方法，其特征在于：预聚体化料的温度要控制在70℃-80℃，时间控制在10-12小时。
9.根据权利要求5所述的具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构及其制备工艺，其特征在于：固化剂选用DL-C固化剂，将预聚体与软化剂、DL-C固化剂，按照120:60:8的比例进行固化处理。
10.根据权利要求5所述的具有减振隔冲性能的超弹混杂人工周期结构的制备方法，其特征在于：将预聚体与软化剂混合先加热至85℃，然后混合物按照配比110:5，搅拌均匀，抽真空脱泡后浇注；模具温度要控制在110℃左右，开模时间控制在60-80分钟，后硫化处理时间控制在24小时左右。
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