CN220984187U - 一种点阵复合缓冲器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种点阵复合缓冲器，属于缓冲技术领域，包括外壳，以及填充在外壳内部的点阵结构本体，所述点阵结构本体包括多个规则或非规则排列的单元体，每个单元体内设有空腔，每一空腔内部填充有多个粒子，所述外壳为圆柱体外壳、三角形外壳或多面体外壳。所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体轴向或纵向方向排列设置。本实用新型通过采用蜂窝点阵结构加粒子复合结构形成一种点阵复合缓冲器，该缓冲器结构可以广泛运用于示范快堆乏燃料运输容器或其他运输容器中，具有良好的抗冲击性能。

Description

一种点阵复合缓冲器

技术领域

本实用新型涉及一种点阵复合缓冲器，属于缓冲技术领域。

背景技术

核电站投入使用后，会产生放射性废物，从核电站反应堆堆芯中替换出来“燃烧”后的燃料棒称为核乏燃料棒。乏燃料运输容器是专用于管理、运输乏燃料棒的容器。在运输过程中和事故工况下保证乏燃料运输容器结构完整性的重要组件，为安装在运输容器两端的缓冲器，其主要作用为吸收能量和限制过载。

缓冲器中起到主要缓冲作用的为填充材料。缓冲器通常包括外壳及填充在外壳内部的填充材料。

缓冲器的外壳的形状构造通常可以根据具体应用的要求和环境条件选择。以下是一些常见的缓冲器外壳材料：

金属：金属外壳常用于要求高强度和耐久性的缓冲器。常见的金属材料包括铝、钢、不锈钢等。金属外壳可以提供良好的机械保护和热传导性能。

塑料：塑料外壳广泛应用于缓冲器中，因为塑料具有轻质、耐腐蚀、绝缘性好等特点。常见的塑料材料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚碳酸酯(PC)等。

橡胶：橡胶外壳常用于弹性缓冲器。橡胶具有良好的弹性和抗震性能，能够吸收冲击和振动。常见的橡胶材料包括丁腈橡胶(NBR)、氯丁橡胶(CR)、丙烯酸酯橡胶(ACM)等。

玻璃纤维增强塑料(FRP)：FRP外壳由玻璃纤维与树脂复合而成，具有较高的强度和刚性，同时也具备耐腐蚀性能。FRP材料常用于一些特殊环境条件下的缓冲器。

其他材料：除了以上列举的材料，缓冲器的外壳还可以采用其他特殊材料，例如陶瓷、复合材料等，以满足特定的应用需求。

缓冲器的填充材料通常采用木材、泡沫铝、聚氨酯泡沫等材料，由于木材是各向异性的非均质材料，各部分的性能表现存在一定的差异；泡沫铝的结构较复杂，其性能受孔隙率、孔径大小、孔洞特征、胞孔类型等因素影响较大；聚氨酯泡沫易受高温、紫外线等因素的影响而变质、老化，对使用寿命具有一定影响。

为此，有学者研究了蜂窝铝作为缓冲器填充材料的实验，评估了蜂窝铝静态和动态的冲击特性，并应用测得的材料性能预测了在事故工况下缓冲器所能提供的缓冲吸能效果，证明了若合理设置蜂窝铝在缓冲器中的位置，该材料可用作运输容器缓冲器填充材料。然而，蜂窝铝结构作为连续体点阵结构，主要依靠弹塑性变形吸收能量，吸能能力有限，且受冲击方向限制，不能同时满足乏燃料运输容器在三种跌落姿态下的缓冲性能要求。

点阵结构作为一种周期性有序结构，虽然具有极强的可设计性，可根据要求选择不同的拓扑构型以及改变微结构孔隙的大小，由于较高的孔隙率和有效表面积，其能量耗散率较高，发展具有高释能功能的点阵结构是国内外相关装备发展中需要突破的核心瓶颈问题之一。但是，传统的点阵结构主要依靠弹塑性变形和摩擦发热来吸收冲击能量，即弹塑性能量衰减。即便是通过内部填充泡沫铝等材料，由于均为连续体介质，依然脱离不了弹塑性衰减形式，因此，传统的连续体结构耗能特性有限。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的是提供一种点阵复合缓冲器，包括外壳和填充材料，其外壳采用不锈钢外壳、塑料外壳、玻璃纤维增强塑料外壳和橡胶外壳，其填充材料采用点阵结构-不连续粒子介质的点阵复合结构，构建综合能量耗散叠加机制，可显著提高点阵结构的抗冲击特性。

为实现上述实用新型目的之一，本实用新型的点阵复合缓冲器的技术方案如下：

点阵复合缓冲器，包括外壳、以及填充在外壳内部的点阵结构本体，所述点阵结构本体包括多个规则或非规则排列的单元体，每个单元体内设有空腔，每一空腔内部填充有多个粒子，所述外壳为圆柱体外壳、三角形外壳或多面体外壳。

进一步的，所述外壳中部设有凹陷。

进一步的，所述外壳为不锈钢外壳、

进一步的，所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体轴向方向排列设置。

进一步的，所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体径向方向排列设置。

进一步的，所述每一空腔内设有一个或多个阻尼包袋，每一阻尼包袋内填充有多个粒子。

更进一步的，每一阻尼包袋填充满粒子或填充90％～95％空间范围的粒子。

更进一步的，所述阻尼包袋为金属丝网，所述金属丝网网孔为200-600目。金属丝网阻尼包袋在该缓冲器中起到主要吸能作用，在运输容器跌落过程中，粒子阻尼包袋通过变形，使得包袋内部的粒子阻尼之间相互的挤压碰撞以及惯性衰减，从而消耗大量的冲击能量，以更加有效的保护的运输容器。

更进一步的，所述金属丝网封闭式包裹住多个粒子。所述金属丝网封闭式包裹是通过焊接方式封口实现封闭式包裹。

更进一步的，所述阻尼包袋为塑料薄膜。

进一步的，所述粒子为金属空心粒子、高分子材料空心粒子，或者陶瓷空心粒子，内径范围为1-50㎜，外径范围为1.1-50.1㎜。

进一步的，所述点阵结构本体为蜂窝铝点阵结构。蜂窝铝在该缓冲器中起到静态支撑和吸能作用，在缓冲器静载平放状态下，通过蜂窝铝点阵结构作为主要的支撑，防止缓冲器由于受自身重力影响而变形。同时，在运输容器跌落时，内部的蜂窝铝点阵结构通过自身的变形来吸收部分冲击能量，从而更好的保护运输容器。

更进一步的，所述蜂窝铝点阵结构为六边形点阵、四边形点阵、Kagome点阵、全三角点阵、菱形点阵、混合型点阵、正方静不定点阵或新型Kagome点阵。

更进一步的，所述蜂窝铝点阵结构为编制叠层夹芯结构、三维全三角点阵结构、八面体结构、四面体和四棱锥点阵夹芯结构、三维Kagome结构。

进一步的，所述点阵结构本体还包括不锈钢外壳，所述不锈钢外壳以包裹方式设置在单元体及其粒子外部。所述不锈钢外壳厚度为5-8mm，主要起到包裹作用，包裹住蜂窝铝和粒子阻尼包袋，同时在跌落时可以通过变形，吸收部分能量。但不锈钢外壳刚度不能太大，否则刚性太强，无法通过变形来吸收能量。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型设计了一种全新的缓冲器结构，包括外壳，以及填充在外壳内部的点阵复合结构本体，点阵复合结构又由多个单元体规则或非规则排列一体式形成，外壳能适应不同运用场景变化不同形状构造，通过内部点阵复合结构中的结构设计，粒子与粒子之间、粒子与内腔之间通过弹塑性能量衰减、碰撞时的阻尼耗散以及惯性能量衰减来消耗能量，从而实现降冲击的功能，可以广泛运用于示范快堆乏燃料运输容器缓冲器中。从而实现降冲击的功能，可以广泛运用于示范快堆乏燃料运输容器缓冲器中。

本实用新型的点阵复合结构制作的缓冲器重量更轻，设计成本低，运用范围广。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的轴向点阵复合缓冲器示意图；

图2是本实用新型实施例1的点阵复合缓冲器A局部放大示意图；

图3是本实用新型实施例2的纵向点阵复合缓冲器示意图；

图4是本实用新型实施例3的点阵复合缓冲器的三角形的点阵结构本体；

图5是本实用新型实施例4的点阵复合缓冲器的四面体的点阵结构本体；

图6是本实用新型实施例1的空心粒子示意图；

图7是本实用新型实施例1的实心粒子示意图。

附图标记：

1.单元体，2.阻尼包袋，3.粒子，31边缘，32，实心粒子，4.外壳，5.凹陷。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型提供的点阵复合缓冲器作进一步详细、完整地说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的实验材料如无特殊说明，均为市场购买得到。

实施例1

参考图1和图2所示，本实施例示意了一款点阵复合缓冲器，包括点阵结构本体，本实施例1中的点阵结构本体外形整体呈圆柱体，中部向内凹陷5，整个点阵结构本体为蜂窝铝点阵结构，蜂窝铝在该缓冲器中起到静态支撑和吸能作用，在缓冲器静载平放状态下，通过蜂窝铝点阵结构作为主要的支撑，防止缓冲器由于受自身重力影响而变形。同时，在运输容器跌落时，内部的蜂窝铝点阵结构通过自身的变形来吸收部分冲击能量，从而更好的保护运输容器。

本实施例中，所述蜂窝铝点阵结构为六边形点阵，在另外一些实施例中，所述蜂窝铝点阵结构还可以考虑四边形点阵、Kagome点阵、全三角点阵、菱形点阵、混合型点阵、正方静不定点阵或新型Kagome点阵、编制叠层夹芯结构、三维全三角点阵结构、八面体结构、四面体和四棱锥点阵夹芯结构、或者三维Kagome结构。

所述蜂窝铝点阵结构本体包括多个规则或非规则排列的单元体1，本实施例采用的是规则排列的单元体1。多个单元体1是沿着点阵结构本体轴向方向排列设置，形成轴向蜂窝点阵结构，多个单元体1紧密排列一体成型，每个单元体1内设有空腔，每一空腔内部填充有多个粒子3。

粒子(Particle)是一个广泛的术语，用于描述物质的微小部分或微粒。粒子可以是原子、分子、离子、电子等微小的实体，也可以是更大的微观物体，如沙粒、尘埃、小颗粒等。在物理、化学和工程领域，粒子通常用来表示系统的组成部分或微观结构，并在研究物质的性质、相互作用和运动时发挥重要作用。颗粒通常用于表示物质中的离散微小单元，这些单元可以是固体、液体或气体的微粒。颗粒的大小可以从微观到宏观不等，例如，颗粒可以是沙粒、颗粒物料、粉末等。在工程、材料科学和环境科学领域，颗粒通常指微小的颗粒或微粒，用于研究颗粒的运动、分布、堆积和相互作用。但是在本申请中，所述的粒子可以包括颗粒的范畴。

在本实施例1中，每一空腔内的多个粒子均被包裹在一阻尼包袋2内，多个粒子3紧密填充满整个阻尼包袋2内，使得内部的粒子3之间形成紧密相抵的状态，具有一定刚性。在另外一些实施例中，也可以通过设计多个阻尼包袋来包裹每一空腔内部的粒子，每一阻尼包袋填充满多个粒子。当然在另外一些实施例中，也可以在阻尼包袋内留有空隙，仅仅填充适量的粒子即可。例如可以填充90％～95％空间范围的粒子。

本实施例1中，所述阻尼包袋2为金属丝网，所述金属丝网网孔为200-600目。所述金属丝网封闭式包裹住多个粒子3。所述金属丝网封闭式包裹是通过焊接方式封口实现封闭式包裹。金属丝网阻尼包袋在该缓冲器中起到主要吸能作用，在运输容器跌落过程中，粒子阻尼包袋通过变形，使得包袋内部的粒子阻尼之间相互的挤压碰撞以及惯性衰减，从而消耗大量的冲击能量，以更加有效的保护的运输容器。

在另外一实施例中，所述阻尼包袋2也可以为塑料薄膜。

本实施例1中，参考图6所示，所述粒子3也可以称为颗粒，粒子3可以为金属空心粒子3，高分子材料空心粒子3，内径范围为1-50㎜，外径范围为1.1-50.1㎜。空心粒子3的边缘31厚度为0.1mm。在一些其他实施例中，也可以参考图7所示，粒子为金属实心粒子。

本实施例1中，所述点阵结构本体还包括不锈钢外壳，所述不锈钢外壳以包裹方式设置在单元体及其粒子外部。所述不锈钢外壳厚度为5-8mm，主要起到包裹作用，包裹住蜂窝铝和粒子阻尼包袋，同时在跌落时可以通过变形，吸收部分能量。但不锈钢外壳刚度不能太大，否则刚性太强，无法通过变形来吸收能量。

实施例2

参考图3和所示，本实施例2与实施例1的结构基本相同，不同之处在于，所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体径向方向(圆周方向)排列设置。即形成纵向蜂窝点阵结构。

实施例3:

参考图4所示，本实施例3示意了一款外形呈现三角形的点阵结构本体，中部向内凹陷5，整个点阵结构本体为蜂窝铝点阵结构，其单元体1为三角形蜂窝铝点阵结构。

实施例4：

参考图5所示，本实施例4示意了一款外形呈现四面体的点阵结构本体，中部向内凹陷5，整个点阵结构本体为蜂窝铝点阵结构，其单元体1为四面体蜂窝铝点阵结构。

当冲击方向为缓冲器轴向时，纵向布置蜂窝点阵结构的接触面为其侧面，结构变形主要顺序为：边缘端的单元体首先发生挤压变形，变形的单元体并没有直接和相邻的下一行单元体传递，必须先将空腔中填充的空心颗粒挤压变形后才能开始相邻下一行单元体的密实化进程，该布置方案中点阵结构更容易发生塑性变形；而轴向布置蜂窝点阵结构的接触面为其端面，受轴向冲击时所有单元体同时发生变形，该布置方案刚度较大不易发生塑性变形，缓冲效果较差。

为验证点阵复合缓冲器的缓冲效果，将该结构应用至乏燃料运输容器上并采用缩比模型进行跌落实验，将点阵复合结构方案与泡沫铝缓冲方案进行比较，以对比缓冲效果。

加工制造两组乏燃料缩比模型，其中一组缓冲器采用本实用新型的点阵复合结构，另一组采用缓冲材料为泡沫铝方案，在缩比模型的中部安装加速度传感器以采集冲击时的加速度信号，将缩比模型悬吊至3米高度，试验开始后剪断吊绳让模型自由跌落，对比两组实验采集到的冲击响应谱加速度最大值作为缓冲效果评估指标。

缓冲效果对比试验数据

通过上述实验数据对比，可以得出，实用新型公开了包括外壳，以及填充在外壳内部的点阵复合结构本体，点阵复合结构又由多个单元体规则或非规则排列一体式形成，外壳能适应不同运用场景变化不同形状构造，通过内部点阵复合结构中的结构设计，粒子与粒子之间、粒子与内腔之间通过弹塑性能量衰减、碰撞时的阻尼耗散以及惯性能量衰减来消耗能量，从而实现降冲击的功能，可以广泛运用于示范快堆乏燃料运输容器缓冲器中。基于点阵结构-不连续粒子介质防护的满足高释能功能需求的点阵复合结构，可以用于设计具有优良抗冲击性能的缓冲器，通过本实用新型的点阵结构-不连续粒子介质复合结构，基于惯性能量衰减+阻尼能量耗散+弹塑性能量衰减的综合能量耗散叠加机制，增加缓冲器的能量耗散，提升缓冲器的抗冲击性能，在满足相同抗冲击性能条件下，点阵复合缓冲器重量更轻。

最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限制，本领域的技术人员根据本实用新型的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种点阵复合缓冲器，其特征在于，包括：包括外壳、以及填充在外壳内部的点阵结构本体，所述点阵结构本体包括多个规则或非规则排列的单元体，每个单元体内设有空腔，每一空腔内部填充有多个粒子，所述外壳为圆柱体外壳、三角形外壳或多面体外壳。

2.根据权利要求1所述的点阵复合缓冲器，其特征在于，所述外壳中部设有凹陷。

3.根据权利要求1所述的点阵复合缓冲器，其特征在于，所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体轴向方向排列设置。

4.根据权利要求1所述的点阵复合缓冲器，其特征在于，所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体径向方向排列设置。

5.根据权利要求1所述的点阵复合缓冲器，其特征在于，所述每一空腔内设有一个或多个阻尼包袋，每一阻尼包袋内填充有多个粒子。

6.根据权利要求4所述的点阵复合缓冲器，其特征在于，每一阻尼包袋填充满粒子。

7.根据权利要求5所述的点阵复合缓冲器，其特征在于，所述阻尼包袋为金属丝网，所述金属丝网网孔为200-600目。

8.根据权利要求7所述的点阵复合缓冲器，其特征在于，所述金属丝网封闭式包裹住多个粒子。

9.根据权利要求5所述的点阵复合缓冲器，其特征在于，所述阻尼包袋为塑料薄膜。

10.根据权利要求1所述的点阵复合缓冲器，其特征在于，所述点阵结构本体为蜂窝铝点阵结构。