CN117681504A - 一种基于仿生结构的抗爆吸能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生结构的抗爆吸能器，涉及抗爆结构领域。本发明包括迎爆板、芯层结构、背板；芯层结构采用防杨桃单胞结构阵列布置而成等高芯层；该防杨桃单胞结构采用易于实现的3D打印方式制成，且迎爆板、芯层结构、背板均采用603钢，便于一体化方式进行批量化生产和制造；防杨桃单胞结构采用自然界仿生灵感设计，在杨桃成熟之后会从高空跌落到地面并受到其它生物和周围环境的挤压，为了避免这些不同方式的冲击压力，杨桃进化出了优异的抗击载荷的性能，将其结构引入至抗爆炸防护芯层结构中国，能够有效的提高夹芯板的防护性能。

Description

一种基于仿生结构的抗爆吸能器

技术领域

本发明属于抗爆结构领域，特别是涉及一种基于仿生结构的抗爆吸能器。

背景技术

如何提高防爆炸结构的防护性能是目前防爆技术领域的方向和重点。目前多胞材料因轻质、高比强度、高比强度等优异性能常常被用于抗爆炸夹芯板的芯层结构，相关学者对夹芯结构的芯层做出了大量的设计与研究。

对于单一芯层结构，在公开号CN108454194A和CN105033188A专利提出了一种点阵夹芯板的防护结构以及CN109318542A提出的内凹混杂型结构都能够有效地避免爆炸冲击载荷；对于复合型芯层结构，在CN112606495A和CN108454194A中分别提出了负泊松比结构层贴合凸起层的复合结构和含UHMWPE纤维-泡沫铝夹芯的多层复合结构；近年来众多学者从仿生出发，提出了各种具有优异抗爆性能的夹芯结构，如在CN116512708A和CN114673747A专利中分别提出仿鱼鳞堆叠结构和仿墨鱼骨多层结构，进一步提高了夹芯结构的防护能力。

然而，上述结构虽然对抗爆炸载荷具有一定抵抗能力，但加工制造方面较为困难，加工成本也相对较高，且不易批量化生产，同时其抗爆性能不一定显著。

发明内容

本发明提供了一种基于仿生结构的抗爆吸能器，基于仿生学设计夹芯层对夹芯板的抗爆性能的提高具有一定的潜在优势，该抗爆吸能器的芯层以单胞进行排列，并通过3D打印的方式一体化设计并进行批量化生产，有效降低了生产成本并提高了生产速度，同时依托于杨桃在成熟之后通过外部结构能够有效避免从树上跌落或受到其它生物和环境因素的挤压，其外部的结构形状能够较好的保护内部果肉的优异抗冲击性能，从而解决了背景技术中的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种基于仿生结构的抗爆吸能器，包括迎爆板、芯层结构、背板；

所述芯层结构采用防杨桃单胞结构阵列布置而成等高芯层；

所述防杨桃单胞结构的形态采用杨桃造型、杨桃剖面拉伸后形成的杨桃柱体造型、杨桃中间线等分切割后的杨桃台体造型、杨桃中间线等分切割后头尾合并后的第一杨桃组合造型、由杨桃柱体造型与杨桃台体造型顶端相组合的第二杨桃组合造型、由杨桃台体造型底端与杨桃柱体造型相组合的第三杨桃组合造型中任意一种；

所述芯层结构的中心竖向设置有空心圆柱。

进一步地，所述迎爆板、芯层结构、背板均采用603钢。

进一步地，所述芯层结构采用3D打印而成。

本发明相对于现有技术包括有以下有益效果：

(1)本发明的芯层结构采用阵列布置的防杨桃单胞结构构成，该防杨桃单胞结构采用易于实现的3D打印方式制成，且迎爆板、芯层结构、背板均采用603钢，便于一体化方式进行批量化生产和制造；

(2)防杨桃单胞结构采用自然界仿生灵感设计，在杨桃成熟之后会从高空跌落到地面并受到其它生物和周围环境的挤压，为了避免这些不同方式的冲击压力，杨桃进化出了优异的抗击载荷的性能，将其结构引入至抗爆炸防护芯层结构中国，能够有效的提高夹芯板的防护性能；

(3)经过测试及实验，相对于相同密度及排列方式布置的圆管芯层，在相同爆炸条件下进行模拟，由防杨桃单胞结构阵列构成的芯层结构具有很大的能量吸收率提升。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明具体实施例1一种基于仿生结构的抗爆吸能器的结构示意图；

图2为图1中芯层结构的俯视图；

图3为图1中单个防杨桃单胞结构的结构立体图；

图4为图3的结构正视图；

图5为图3的结构俯视图；

图6为具体实施例1仿杨桃芯层进行爆轰实验变形的模型图；

图7为具体实施例1对应的采用圆管芯层夹芯板进行比对爆轰实验变形的模型图；

图8为本发明具体实施例2的单个防杨桃单胞结构的结构立体图；

图9为本发明具体实施例3的单个防杨桃单胞结构的结构立体图；

图10为本发明具体实施例4的单个防杨桃单胞结构的结构立体图；

图11为本发明具体实施例5的单个防杨桃单胞结构的结构立体图；

图12为本发明具体实施例6的单个防杨桃单胞结构的结构立体图；

图13为防杨桃单胞结构交错排列的结构原理图；

图14为防杨桃单胞结构相对排列的结构原理图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-迎爆板，2-芯层结构，3-背板，4-防杨桃单胞结构，5-第一梯形板，6-第二梯形板，7-第三梯形板，8-空心圆柱，9-上体，10-纵向诱导孔，11-横向诱导孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本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本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“背”、“剖面”、“中心”、“竖向”等指示方位或位置关系，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组件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。

具体实施例1：

请参阅图1-7所示，本发明的一种基于仿生结构的抗爆吸能器，包括迎爆板1、芯层结构2、背板3；具体结构如图1-2所示；芯层结构2采用防杨桃单胞结构4阵列布置而成等高芯层；迎爆板1、芯层结构2、背板3均采用603钢。芯层结构2采用3D打印而成；

本具体实施例中：

防杨桃单胞结构4的形态采用杨桃造型；如图3-5所示；迎爆板1和背板3的尺寸均为800x800x10mm；通过3D打印的方式与芯层结构2的上下表面结合，其中芯层结构2整体的尺寸为790x750x116mm，整个芯层结构居中放置；芯层结构2的中心竖向设置有空心圆柱8；

防杨桃单胞结构4与防杨桃单胞结构4之间的距离为横向158mm、纵向150mm，如图5所示。在图3-5中仿杨桃单胞结构4由第一梯形板5、第二梯形板6和第三梯形板7通过对称旋转整列以及空心圆柱8组成上体9，然后由上体9通过下面对称得到。其中第一梯形板5和第三梯形板7的底边中心线的长度都为50mm和上边中线都25mm分别与第二梯形板6的上下截面中线的夹角θ为36°，空心圆柱8的中心线直径为6mm，上体9的高度为58mm，仿杨桃单胞结构模型的壁厚均为2.4mm；单个单胞的截面梯度由小到大再到小，仿杨桃单胞结构的单胞立体图如图3所示。

具有三个部分的夹芯板结构在抗爆炸方面具有不同的抗爆性能，其中迎爆板1受到冲击波加载弯曲变形耗散部分能量，同时将冲击波的能量分散在板的表面，使得能量没有集中效应，进一步降低冲击波的作用效果；芯层结构2通过压缩变形吸收大量的冲击能量，单胞之间横向挤压提高了整体结构的抗弯刚度；背板3主要起到对芯层结构2有支撑的作用，同时一定的弯曲变形耗散部分的能量。

在加工制造方面，现有的芯层结构较为复杂，加工制造成本较高，可利用性不高，而本发明的仿杨桃芯层结构用多个单胞整列生成，易于用3D打印的方式将迎爆板、仿杨桃芯层和背板通过一体化的方式进行批量化生产制造。在抗爆效果方面，本发明的芯层结构采用自然界仿生灵感设计，杨桃在成熟之后会从高空中跌落到地面以及会受到其他生物和周围环境的挤压，为了避免这些不同方式的冲击压力，杨桃进化出优异的抗冲击载荷的性能，将其结构引入到抗爆炸防护芯层结构中，可有效地提高夹芯板的防护性能。

本发明设计的芯层夹芯板结构在受到爆炸载荷作用下，迎爆板1首先受到冲击波的作用获得动能，一方面通过面板的塑性拉伸变形耗散一部分的能量，一方面在变形过程中面板中间变形较大使得面板向四周拉伸，可以有效地分散冲击载荷的能量。芯层结构2在迎爆板1变形过程中会受到挤压，这使得芯层结构2受压变形来吸收能量，且芯层结构2中防杨桃单胞结构4之间会彼此挤压提高了整体夹芯板的抗弯刚度。由于结构四周为三角形阵列，芯层防杨桃单胞结构弯曲变形的过程中，利用三角形具有稳定性的特征，使得单胞不易被压溃，进一步提高了夹芯板的抗弯刚度，使得夹芯板整体不易变形。同时单胞结构中有第一梯形板5、第二梯形板6和第三梯形板7等加强筋结构，在结构变形过程中，这种加强筋使得结构沿着冲击方向牢固，更不易压溃变形，在发生变形时也会形成更多的变形褶皱来吸收冲击能量，使得大部分的能量耗散在夹芯层，可以有效地提高结构的抗爆炸性能。并且仿生杨桃的外部结构有一定的倾斜角度，可以诱导迎爆板向单胞之间的凹陷位置变形，使得迎爆板1的变形模式除了面内拉伸外还增加了较大的弯折变形，这将会大大地提高前面板的吸能效果，从而进一步提高仿杨桃芯层夹芯板的抗爆性能。另外芯层结构2与背板3接触的下面，使用者可以通过改变其截面面积，即改变接触面积，进而改变背板承载力，使得夹芯板在受到冲击载荷的作用下，背板的承载力更小，背板变形更小，防护效果更好。背板3在芯层结构2压缩的过程中受力变形，变形特征和迎爆板类似，都有向四周拉伸变形的过程，这种变形形态既耗散了一部分冲击能量，又分散了冲击载荷的能量，同时背板3对芯层结构2有支撑作用，使得芯层结构2可以有效地抵抗冲击载荷。

本发明的仿杨桃芯层夹芯板结构易于用3D打印的方式进行一体化生产加工，可以降低生产成本，同时提高生产效率。并且仿杨桃单胞夹芯结构在5kgTNT、164.7mm爆距下其背板挠度为65.9mm，迎爆板1、芯层结构2以及背板3的能量吸收率分别为42.87％、40％、17.13％，芯层结构2的比吸能为55J/g。相比于相对密度相同、排列方式相同的圆管，本发明的仿杨桃芯层夹芯板结构在上述防爆参数上较优，且在迎爆板的能量吸收率上仿杨桃芯层夹芯板结构比上述圆管提高了37％，这得益于防杨桃单胞结构的巧妙设计。迎爆板1能量吸收率较高的原因是仿生杨桃的外部结构有一定的倾斜角度，爆轰开始不久后可以诱导迎爆板向单胞之间的凹陷位置变形，使得迎爆板1的变形模式除了面内拉伸外还增加了较大的褶皱变形，而圆管芯层没有这种变形模式。为了直观地进行比较，提取300μs时仿杨桃芯层夹芯板的迎爆板和上述圆管的迎爆板变形模式如图6-7所示。

具体实施例2：

本具体实施例相对于具体实施例1的区别在于：

芯层结构2采用杨桃剖面拉伸后形成的杨桃柱体造型；

单胞结构的替代方案：将具体实施例1中防杨桃单胞结构4的上下面的截面调整到和中面一样，即可得到图8所示的结构，在爆炸载荷作用下这种单胞结构可以使得加强筋在轴向上有更多的弯曲变形褶皱，相比于相对密度相同、排列方式相同的圆管蜂窝在背板挠度上提升了5％；

具体实施例3：

本具体实施例相对于具体实施例1的区别在于：芯层结构2采用杨桃中间线等分切割后的杨桃台体造型；

单胞结构的替代方案：将具体实施例1中防杨桃单胞结构4严中间线等分切割后获得，即可得到图9所示的结构，在爆炸载荷作用下这种单胞结构可以更加地充分诱导迎爆板产生更多的褶皱，进一步提高迎爆板的吸能量，同时这种横截面积由小到大的梯度，可以分散作用在背板上的承载力，进一步提高结构的防护性能；

具体实施例4：

本具体实施例相对于具体实施例1的区别在于：芯层结构2采用杨桃中间线等分切割后头尾合并后的第一杨桃组合造型；

单胞结构的替代方案：将具体实施例1中防杨桃单胞结构4的上体9沿着上面对称，即可得到图10所示的结构，在爆炸载荷作用下这种单胞结构除了轴向上会有一定的褶皱，在面内会较快弯曲吸能，同时使得迎爆板充分拉伸，进一步提高迎爆板的吸能量；

具体实施例5：

本具体实施例相对于具体实施例1的区别在于：芯层结构2采用由杨桃柱体造型与杨桃台体造型顶端相组合的第二杨桃组合造型；

如图11所示，该防杨桃单胞结构4结合具体实施例2结构和具体实施例3结构的优势，上半部分利用具体实施例2结构在轴向上加强筋产生较多的弯曲褶皱的优势，下半部分利用具体实施例3结构在降低背板上的承载力上的优势，可以有效地提高芯层结构的防护性能。

具体实施例6：

本具体实施例相对于具体实施例1的区别在于：芯层结构2采用由杨桃台体造型底端与杨桃柱体造型相组合的第三杨桃组合造型；

如图12所示，该防杨桃单胞结构4同样结合具体实施例2结构和具体实施例3结构结构的优势，上半部分利用具体实施例3结构在诱导迎爆板产生更多变形褶皱的优势，下半部分利用具体实施例2结构在轴向上加强筋产生较多的弯曲褶皱的优势，也可以有效地提高芯层结构的防护性能。

单胞即防杨桃单胞结构4的排列方式的替代方案：

将单胞模型按照面内方向一致且交错排列，可以得到如图13所示的排列方式，该排列方式可以提高空间利用率，使得在有限的空间内排布更多的单胞结构，同时也可以提高单胞面内的相互作用，可以提高结构对爆炸载荷的防护性能；

将单胞模型按照面内相对排列，可以得到如图14所示的排列方式，该排列方式设置了纵横方向上的诱导孔，如纵向诱导孔10和横向诱导孔11，这可以使得迎爆板褶皱更多，吸能量更多，有效地提高芯层结构的防护性能。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种基于仿生结构的抗爆吸能器，包括迎爆板(1)、芯层结构(2)、背板(3)，其特征在于：

所述芯层结构(2)采用防杨桃单胞结构(4)阵列布置而成等高芯层；

所述防杨桃单胞结构(4)的形态采用杨桃造型、杨桃剖面拉伸后形成的杨桃柱体造型、杨桃中间线等分切割后的杨桃台体造型、杨桃中间线等分切割后头尾合并后的第一杨桃组合造型、由杨桃柱体造型与杨桃台体造型顶端相组合的第二杨桃组合造型、由杨桃台体造型底端与杨桃柱体造型相组合的第三杨桃组合造型中任意一种；

所述芯层结构(2)的中心竖向设置有空心圆柱(8)。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生结构的抗爆吸能器，其特征在于，所述迎爆板(1)、芯层结构(2)、背板(3)均采用603钢。

3.根据权利要求2所述的一种基于仿生结构的抗爆吸能器，其特征在于，所述芯层结构(2)采用3D打印而成。