CN115614412A - 一种可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可重复使用的力‑磁耦合抗冲击缓冲结构，属于安全防护技术领域。所述力‑磁耦合抗冲击缓冲结构由多个相同力‑磁耦合抗冲击缓冲单元离散组装而成，横纵分层交错排列组成多排多列的组合结构，而单个力‑磁耦合抗冲击缓冲单元包括弹性球体、弹簧、磁体；所述弹性球体通过弹簧和磁体进行连接，弹性球体之间通过弹簧进行连接，所有弹簧处在同一直线，所述磁体贯穿于弹性球体及弹簧内部，弹性球体内部延伸出的磁体N极或S极与相邻弹性球体内部延伸出的磁体S极或N极相接。本发明提供一种缓冲效果好并且可重复使用、可多维延拓的力‑磁耦合抗冲击缓冲结构。能够更有效减小力产生的影响，降低其维护成本与更换成本，节省了人力物力。

Description

一种可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构

技术领域

本发明涉及抗冲击缓冲吸能领域，特别涉及一种可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构，属于先进结构和材料设计制造领域。

背景技术

在生活或者科研中，会出现很多无法预料到的、突发性的、迅速的冲击碰撞事故或事件。特别是在航空航天、军事国防、交通运输等重要工程领域中，冲击碰撞等突发事故发生频率高，破坏性强，且可预测性差，因而严重威胁着人员及财产安全，为了降低这种不可预测的冲击碰撞对经济财产、人身安全等造成的威胁，现构想模拟一种力学模型，其拥有能对外部压力进行缓冲的力学结构。

传统的缓冲装置中整体结构一旦加工成形，无法改变参数，难以灵活调控；局部结构一旦破坏变形，性能便大打折扣，难以重复利用，保养、维护、更换成本高；难以兼顾安全防护与快速灵活部署两方面的需求。

因此，设计出一种缓冲效果好并且可重复使用、可多维延拓的缓冲结构，是一件富有意义的工作。对于提高材料与空间利用率，快速高效应对突发事故和降低生命及财产损失有着重要的价值。

发明内容

本发明是为了解决现有的缓冲结构缓冲能力不足、可重复利用度低的问题。本发明提供一种缓冲效果好并且可重复使用、可多维延拓的力-磁耦合抗冲击缓冲单元及缓冲结构。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

本发明第一方面提供一种力-磁耦合抗冲击缓冲单元，包括弹性球体、弹簧、磁体；所述弹性球体通过弹簧和磁体进行连接，弹性球体之间通过弹簧进行连接，所有弹簧处在同一直线，所述磁体贯穿于弹性球体及弹簧内部，弹性球体内部延伸出的磁体N极或S极与相邻弹性球体内部延伸出的磁体S极或N极相接。

作为一种优选实施方式，上述力-磁耦合抗冲击缓冲单元中，所述磁体贯穿一个弹性球体内部，磁体磁铁中心位于弹性球体球心，且磁铁长度略长于弹性球体的直径。

作为一种优选实施方式，上述力-磁耦合抗冲击缓冲单元中，所述弹性球体设有圆柱通孔，圆柱通孔边缘导出圆角。

作为一种优选实施方式，上述力-磁耦合抗冲击缓冲单元中，所述弹性球体的圆柱通孔的直径和磁体的横截面直径相配合。

作为一种优选实施方式，上述力-磁耦合抗冲击缓冲单元中，所述弹性球体由弹性橡胶材料制作而成。

选取材料为TPU等弹性模量大、摩擦系数大的弹性橡胶材料。

作为一种优选实施方式，上述力-磁耦合抗冲击缓冲单元中，所述磁体选用圆形截面细长强磁力磁体。每个磁铁贯穿一个球体内部，磁铁中心位于球体球心，且磁铁长度略长于球体直径，磁体引力能够有效限制单个球串模型中相邻球体的相互远离，耗散冲击能量。

作为一种优选实施方式，上述力-磁耦合抗冲击缓冲单元中，所述弹簧选用圆形截面细长硬质弹簧。选用圆形截面细长硬质弹簧，弹簧两端各连接一个球体结构，能够有效限制单个球串模型中相邻球体的相互远离，耗散冲击能量。

本发明第一方面提供一种可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构，其由上述多个相同力-磁耦合抗冲击缓冲单元离散组装而成，横纵分层交错排列组成多排多列的组合结构。

作为一种优选实施方式，上述力-磁耦合抗冲击缓冲结构中，同层的力-磁耦合抗冲击缓冲单元平行阵列排布且间隔相等，邻层的力-磁耦合抗冲击缓冲单元正交排布。

作为一种优选实施方式，上述力-磁耦合抗冲击缓冲结构中，每一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹簧与下一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹簧相切，每一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹性球体位于下两层四个相邻弹性球体所形成的重力势肼中。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点及有益效果：

本发明的可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构中采用弹性球体优势明显：1易于加工，成本较低。2各向同性，可以实现全方位吸能，无需预估载荷的方向3.球作为柔性结构，吸能效率高4.球的比表面积大，有利于增大摩擦和振动消耗的能量。

本发明的可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构中弹性球体之间通过弹簧进行连接，首先是拓朴连接，形成势阱，提高吸能总量，另外，可实现全方位自锁，无需外界约束，其次，这种模块化的处理，在工程有利于调控和组装。另外还具有更优的孔隙率，便于实现更多机制的耗能。

本发明的可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构中磁体结构是较持久的磁铁、弹性球体结构采用橡胶球，所以该缓冲结构的弹性变形范围大，不易发生难以恢复原状的塑性变形，在发生一次力的缓冲后大部分结构依然可以二次利用，如果有损坏部位也可以单独更换此单元来继续利用整个缓冲结构；所以整个缓冲结构的可重复利用率大大提高，维护成本大大降低。

本发明的可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构具有在短时间内易组装的性能，当遇到一些紧急突发情况时能够随时将小型单元体进行运输并迅速组装起来，以完成防冲击的任务。

本发明的可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构中有大量的弹簧和磁体，均是可发生弹性变形的机构；在对外力进行缓冲之后整体机构会发生变形，但是在外力缓冲后大部分未超出弹性限度的弹簧会恢复原长，具有可重复使用的特性。

即是，本发明的可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构能够更有效地对力进行缓冲，减小力产生的影响，同时可以实现高效的重复利用，降低其维护成本与更换成本，节省了人力物力。本发明在多种吸能机理的搭配下，能有效吸收高速冲击下的能量。

附图说明

图1为本发明的力-磁耦合抗冲击缓冲结构(八层组装)斜视图；

图2为本发明的力-磁耦合抗冲击缓冲单元结构(四层组装)斜视图；

图3为本发明的力-磁耦合抗冲击缓冲单元斜视图；

图4为本发明的同层内力-磁耦合抗冲击缓冲单元排布方式斜视图；

图5为本发明的单个弹性球体结构斜视图；

图6为本发明的单个磁体结构斜视图；

图7为本发明的单个弹簧结构斜视图；

图8为本发明图1示意力-磁耦合抗冲击缓冲结构在压缩载荷下的变形示意图斜视图；

图9为本发明图1示意力-磁耦合抗冲击缓冲结构在压缩载荷下的变形示意图正视图。

附图标记说明：1、弹性球体；2、圆柱通孔；3、磁体；4、弹簧。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、尺寸或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、尺寸或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图1至9对本发明作进一步详细说明。

实施例1

参考图3，本发明力-磁耦合抗冲击缓冲单元结构示意图。由弹性球体1、弹簧4、磁体3组成；弹性球体1通过弹簧4和磁体3进行连接，弹性球体1之间通过弹簧4进行连接，所有弹簧4处在同一直线，同时弹性球体1及弹簧4内部贯穿磁体3，弹性球体1内部延伸出的磁体N极或S极与相邻弹性球体1内部延伸出的磁体S极或N极相接。

参考图5，为单个弹性球体结构斜视图，是组成本发明力-磁耦合抗冲击缓冲单元的基本小球单元，其利用solidworks软件进行建模；首先设计出一个半径为11.5mm的球体，再在其正中间挖除一个半径为4.5mm的圆柱体，然后在圆柱通孔的边缘导出一个半径为1mm的圆角，最后由具有较大弹性、摩擦系数大的TPU材料3D出来的。

图6是单个磁体结构，其为直径为6mm、长30mm的具有较大磁性的磁体圆柱体，其在N极、S极两端的磁性远大于在圆柱中间部分的磁性。其6mm的直径能够恰好与直径为8mm的弹簧相配合。两端形成的强磁场可以保证磁体3在弹簧4内部不脱落。此外，磁体3两端具有半径为0.4mm的导圆角，便于磁体3的连接和在非缓冲情况时的人为分离。

图7是单个弹簧结构斜视图，用于连接弹性球体1和磁体3，其平均直径为8mm、长为30mm、总圈数为50圈的紧密弹簧，弹簧丝的半径为0.3m；弹性球体的圆柱通孔直径为9mm，恰好可以将弹簧4与磁体3的组合体与弹性球体1的圆柱通孔2进行配合。另外，相较于弹簧4所多出的1mm间隙恰好用于填充胶水等固连物质。

每个力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹性球体1通过与磁体3中的磁体直径相同的弹簧4进行连接形成一个整体。

实施例2

参考图4，为由三个“单个离散的力-磁耦合抗冲击缓冲单元”组成的单层结构。

参考图2，本实施例为四层组装的力-磁耦合抗冲击缓冲单元结构，图2是由图4所示的单层结构堆叠四层而成，同层的力-磁耦合抗冲击缓冲单元平行阵列排布且间隔相等，邻层的力-磁耦合抗冲击缓冲单元正交排布；每一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹簧结构与下一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹簧结构相切，每一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的球体结构位于下两层四个相邻球体所形成的重力势肼中。

参考图8，为本实施例在受到外界冲击过程中所发生的变形示意图的轴测图。如图所示，在受到冲击过程中弹簧会因为冲击力的作用被拉长并储存弹性势能；弹簧4内的磁体3也会相互发生分离以通过磁力来消耗一部分能量；弹力球体1也会因相互挤压和摩擦从而通过弹性吸能和摩擦吸能的方式消耗冲击所施加的能量。

实施例3

参考图1，本实施例为八层组装的力-磁耦合抗冲击缓冲单元结构，图1是由图4所示的单层结构堆叠八层而成，同层的力-磁耦合抗冲击缓冲单元平行阵列排布且间隔相等，邻层的力-磁耦合抗冲击缓冲单元正交排布；每一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹簧结构与下一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹簧结构相切，每一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的球体结构位于下两层四个相邻球体所形成的重力势肼中。

参考图9，为本实施例在受到外界冲击过程中所发生的变形示意图的正视图。如图所示，在受到外界冲击过程中弹簧会因为冲击作用被拉长并储存弹性势能；弹簧4内的磁体3也会相互发生分离以通过磁力来消耗冲击能量；弹力球体1也会因相互挤压和摩擦从而通过弹性吸能和摩擦吸能的方式消耗冲击所施加的能量。

综上，本发明力-磁耦合抗冲击缓冲结构由力-磁耦合抗冲击缓冲单元的单层结构水平正交堆叠而成。在该单层结构中的某个单个离散力-磁耦合抗冲击缓冲单元损坏后也不必更换整层单层结构，只需更换损坏掉的单个离散的力-磁耦合抗冲击缓冲单元后，整体的力-磁耦合抗冲击缓冲结构又可重新发挥作用。所以本发明具有可重复利用性和能够更换部分结构的性质，这使其维护成本大大降低。

由于本发明力-磁耦合抗冲击缓冲结构中每一层的相同结构都是通过相同的单元按照一定的间隔排列而成；然后将不同层的结构进行叠放，使每一层的弹簧和磁体都在水平面垂直，弹性球体相互钳制而形成稳定的叠放模型。

本发明力-磁耦合抗冲击缓冲结构中，在进行对力的缓冲时，通过三个途径对力进行缓冲：

1、弹性球体结构采用橡胶球，表面摩擦系数大，且在缓冲时外部给予的压力巨大，其表面摩擦力可以抵消一部分外部力的作用，达到缓冲效果。

2、弹簧结构采用大弹性系数的弹簧，在多层结构进行相互挤压时弹簧会发生与力方向相同的形变，产生与力方向相反的弹性力，从而抵消一部分外力，达到缓冲效果。

3、磁体结构通过磁铁在分开时产生的力来进行抵消外力从而达到缓冲的效果。

因为有弹簧的钳制，磁体在力的作用下分开后被弹簧限制从而不会无规则地弹走，在外力缓冲结束后，有自动重新连接的可能性。

本发明力-磁耦合抗冲击缓冲结构中，因为磁体结构采用磁性较大较持久的磁铁、弹性球体结构采用橡胶球，所以该整体力-磁耦合抗冲击缓冲结构的弹性变形范围大，不易发生难以恢复原状的塑性变形，在发生一次力的缓冲后大部分结构依然可以二次利用，如果有损坏部位也可以单独更换力-磁耦合抗冲击缓冲单元来继续利用整个力-磁耦合抗冲击缓冲结构；所以整个力-磁耦合抗冲击缓冲结构的可重复利用率大大提高，维护成本大大降低。

当外部有强烈冲击碰撞时，外部冲击会施加到最外层然后继续向内施压，橡胶球和橡胶球之间的摩擦、弹簧发生的形变、磁铁的分离都会对力进行一个缓冲作用，随着参与缓冲的部件越来越多，缓冲效果越来越强，外力逐渐被缓冲掉，弹簧逐渐恢复原状，橡胶球开始减小相互间的摩擦直至外力完全消失。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。可以理解的是，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种力-磁耦合抗冲击缓冲单元，其特征在于：包括弹性球体(1)、弹簧(4)、磁体(3)；所述弹性球体(1)通过弹簧(4)和磁体(3)进行连接，弹性球体(1)之间通过弹簧(4)进行连接，所有弹簧处在同一直线，所述磁体(3)贯穿于弹性球体(1)及弹簧(4)内部，弹性球体内部延伸出的磁体N极或S极与相邻弹性球体内部延伸出的磁体S极或N极相接。

2.根据权利要求1所述的力-磁耦合抗冲击缓冲单元，其特征在于：所述磁体(3)贯穿一个弹性球体(1)内部，磁体(3)磁铁中心位于弹性球体(1)球心，且磁铁长度略长于弹性球体的直径。

3.根据权利要求1所述的力-磁耦合抗冲击缓冲单元，其特征在于：所述弹性球体(1)设有圆柱通孔(2)，圆柱通孔(2)边缘导出圆角。

4.根据权利要求3所述的力-磁耦合抗冲击缓冲单元，其特征在于：所述弹性球体(1)的圆柱通孔(2)的直径和磁体结构(3)的横截面直径相配合。

5.根据权利要求1所述的力-磁耦合抗冲击缓冲单元，其特征在于：所述弹性球体(1)由弹性橡胶材料制作而成。

6.根据权利要求1所述的力-磁耦合抗冲击缓冲单元，其特征在于：所述磁体(3)选用圆形截面细长强磁力磁体。

7.根据权利要求1所述的力-磁耦合抗冲击缓冲单元，其特征在于：所述弹簧(4)选用圆形截面细长硬质弹簧。

8.一种可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构，其特征在于：由权利要求1至7任一项的多个相同力-磁耦合抗冲击缓冲单元离散组装而成，横纵分层交错排列组成多排多列的组合结构。

9.根据权利要求8所述的可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构，其特征在于：同层的力-磁耦合抗冲击缓冲单元平行阵列排布且间隔相等，邻层的力-磁耦合抗冲击缓冲单元正交排布。

10.根据权利要求8所述的可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构，其特征在于：每一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹簧与下一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹簧相切，每一层力-磁耦合抗冲击缓冲单元的弹性球体位于下两层四个相邻弹性球体所形成的重力势肼中。

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