RO127038B1 - Structură celulară stratificată formată pe baza unei structuri celulare expandate mecanic şi procedeu de realizare a acesteia - Google Patents

Description

Invenția se referă la o structură celulară stratificată, formată pe baza unei structuri celulare, expandată mecanic, și la un procedeu de realizare a acesteia.

Capacitatea materialelor de a disipa energia de impact, datorată unor forțe de tip impuls (ciocniri, explozii), prezintă interes în cazul unor aplicații din industria vehiculelor terestre, nautice și spațiale, pentru creșterea siguranței pasagerilor sau a mărfurilor, precum și din industria construcțiilor civile, pentru protecția obiectivelor cu grad înalt de securitate. Cercetări efectuate în acest domeniu au demonstrat faptul ca structurile celulare, periodice sau stohastice, prezintă un potențial ridicat în privința cantității de energie ce poate fi disipată prin deformare plastică a elementelor celulelor.

Sunt cunoscute astfel de structuri celulare. Astfel, brevetul WO 2009-078052 A2 se referă la un panou celular, metalic, realizat din suprapunerea și îmbinarea mai multor straturi de tablă profilată sub diferite forme, utilizat pentru disiparea energiei de impact prin deformare plastică. Brevetul WO 2007-009142 A1 prezintă un corp defprmabil, realizat prin suprapunerea a cel puțin două straturi de material ambutisat pe ambele părți, sub diferite forme, astfel încât să aibă loc contactul și îmbinarea acestora. Brevetul US 4221413 are ca obiect un dispozitiv pentru absorbția energiei de impact, realizat prin suprapunerea de mai multe straturi de plăci profilate, de grosimi diferite, rotite sau nu, una față de cealaltă, cu 90 de grade. Brevetul RU 2 246 646 se referă la un atenuator de impact, realizat din structuri celulare cu forme hexagonale, circulare sau dreptunghiulare, la care forța de impact acționează pe direcție perpendiculară pe muchiile laterale ale celulelor.

Este cunoscută, de asemenea, o structură celulară de tip fagure de albine, utilizată la realizarea de panouri pentru absorbția energiei de impact prin deformare plastică a pereților celulelor, la care forța de impact acționează în aceeași direcție cu muchiile celulelor. Această structură celulară face obiectul mai multor brevete de invenție, în care sunt propuse metode de creștere a capacității de absorbție a energiei de impact precum în brevetul GB 2 345 737 A, pentru controlul modului de distrugere ca urmare a forței de impact precum în brevetul GB 2 323 146 A, sau pentru preluarea unei forțe de impact mici la începutul deformării precum în brevetul GB 2 305 487

Aceste structuri celulare prezintă dezavantajul că, prin construcție, necesită un consum mare de material pentru realizarea disipării unei cantități mari de energie.

Un alt dezavantaj al acestor structuri constă în obținerea unei densități relativ ridicată, datorită modului de distribuire în spațiu a materialului pentru formarea celulelor.

Un alt dezavantaj al acestor structuri constă în faptul că deformarea plastică se face în șocuri, datorită flambării pereților celulelor.

Un alt dezavantaj al acestor structuri constă în faptul că prezintă un număr mic de variabile ce pot fi modificate pentru optimizarea capacității de absorbție, în funcție de aplicație.

Un alt dezavantaj al acestor structuri constă în metoda de fabricare relativ costisitoare și cu un grad de flexibilitate redus al acesteia.

Scopul invenției constă în realizarea unei structuri celulare, stratificată, cu densitate relativă scăzută, formată din mai multe straturi de structură celulară expandată, care să permită disiparea unei cantități mari de energie, rezultată în urma unor forțe de impact, prin deformarea plastică, fără șocuri, a elementelor constituente, în vederea uniformizării forței preluate.

Un alt obiectiv al invenției constă în dezvoltarea unui procedeu simplu de expandare mecanică a unui semifabricat de tip plat, și astfel, de obținere a unei structuri celulare expandată mecanic cu densitate relativă foarte scăzută.

RO 127038 Β1

Un alt obiectiv al invenției constă în dezvoltarea unui procedeu simplu de realizare 1 a structurii celulare stratificată.

Invenția elimină dezavantajele menționate prin aceea că, datorită suprapunerii a două 3 sau a mai multor straturi succesive de structură celulară, expandată mecanic, rotită în plan orizontal, una față de celălaltă, cu un unghi 180°, se obține o structură celulară stratificată 5 cu o densitate relativă mică, în același timp, cu o capacitate mare de absorbție a energiei de impact, prin deformarea plastică a elementelor ce formează celulele structurii, absorbția 7 făcându-se fără șocuri. Zonele de contact dintre straturi permit asamblarea acestora prin lipire cu adezivi, brazare, sudură sau prin nituire, straturile expandate mecanic putând fi 9 realizate din materiale metalice sau nemetalice cu diferite grosimi, în funcție de aplicație, pentru obținerea unei structuri celulare pentru absorbția energiei de impact. Capacitatea și 11 modul de absorbție al energiei de impact pot fi cu ușurință modificate și adaptate, în funcție de aplicație, datorită topologiei structurii celulare, expandată mecanic. 13

Avantajele care se obțin prin aplicarea invenției constau în realizarea, printr-un procedeu simplu, a unei structuri celulare expandată mecanic și obținerea, prin utilizarea 15 acesteia, a unei structuri celulare stratificată cu capacitate mare de disipare, prin deformare plastică, a energiei de impact, fără șocuri, având o densitate relativă mică. 17

Se dă, în continuare, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1 ...7, care prezintă: 19

- fig. 1, o reprezentare generală a unui atenuator de impact, realizat cu structura celulară stratificată, conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente; 21

- fig. 2, o reprezentare tridimensională a structurii celulare stratificată, pentru absorbția energiei de impact, conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor 23 componente;

- fig. 3, o vedere laterală a structurii celulare stratificată, conform acestei invenții, cu 25 evidențierea elementelor componente;

- fig. 4a, o vedere plană a detaliului A din fig. 3, asupra zonei de îmbinare a straturilor 27 expandate mecanic c și b, ce formează structura celulară stratificată, conform acestei invenții; 29

- fig. 4b, o vedere tridimensională a detaliului A din fig. 3 asupra zonei de îmbinare a straturilor expandate mecanic c și b, ce formează structura celulară stratificată, conform 31 acestei invenții;

- fig. 5, o reprezentare plană a unui atenuator de impact, realizat cu structura 33 celulară, stratificată, conform acestei invenții, cu evidențierea elementelor componente;

- fig. 6, o reprezentare tridimensională a principiului de fabricare a straturilor de 35 structură celulară expandată mecanic;

- fig. 7, celulă unitate parametrizată, ce formează structura celulară expandată 37 mecanic, respectiv, structura celulară stratificată, conform acestei invenții.

Structura celulară stratificată 2, conform invenției, este formată din două sau mai 39 multe straturi de structură celulară expandată mecanic, de exemplu, a, b, c, d, e și f, descrisă în brevetului de invenție RO 123427 Bl, suprapuse și rotite, una față de cealaltă, în 41 plan orizontal, cu un unghi de 180°, fig. 2, astfel încât să se obțină o dispunere spațială, după șase direcții, a nervurilor structurii celulare, generând un spațiu intercelular deschis. 43

Straturile cu structură celulară expandată sunt realizate prin expahdarea mecanică a unui semifabricat de tip plat 12 (de exemplu, tablă). într-un proces continuu de fabricație, 45 etapele acestui principiu pot fi descrise, în legătură cu fig. 6, astfel: asupra unui semifabricat de tip plat (zona I), sunt aplicate o serie de perforări și tăieturi specifice, 9, respectiv, 10 (zona 47 II); pentru realizarea suprafețelor de contact cu straturile alăturate de structură celulară,

RO 127038 Β1 expandată sau cu învelișurile exterioare, muchiile 5 și 6 sunt îndoite la un unghi egal cu gradul de expandare dorit G (zona III); procesul de expandare (zona IV) este realizat prin aplicarea unei deplasări U_y în planul materialului semifabricat, pe muchiile 11, orientată după o direcție perpendiculară pe tăieturile și perforările deja create. Deplasarea U_y poate fi impusă sau poate fi generată de o forță aplicată pe capetele 11, cu aceeași direcție și orientare. Datorită tensiunilor ce apar în material și, totodată, datorită modului de dispunere a tăieturilor transversale, materialul începe să se deformeze progresiv în spațiu, prin torsiune, după trei planuri diferite, rezultând astfel un strat de structură celulară expandată mecanic. Unghiul G, după care se face îndoirea capetelor 5 și 6, se determină în funcție de parametrii geometrici/lungimea laturii celulei ce se dorește a fi obținută, c - distanța dintre două tăieturi transversale pe direcție longitudinală și de forma celulei ce se dorește a fi obținută, după procesul de expandare, caracterizată prin unghiul A, fig. 6 și 7, utilizând ecuația 1.

G = tan (1) înălțimea h a unui strat de structură celulară expandată mecanic poate fi determinată, fig. 7, utilizând ecuația 2:

h = 2(c-b)sinG (2) înălțimea structurii celulare stratificată 2 se poate calcula folosind ecuația 2, multiplicată cu numărul de straturi componente.

Lățimea și lungimea unui strat de structură celulară expandată mecanic, w, respectiv, t, pot fi determinate, fig. 7, utilizând ecuația 3, respectiv, ecuația 4, unde n și m reprezintă numărul de celule unitate ce formează structura celulară pe direcția X, respectiv, Y, fig. 6:

w = 2/(1 + cos A)n

2c cos G (3) (4)

Procedeul de realizare a structurii celulare stratificată 2, conform invenției, constă din suprapunerea straturilor de structură expandată mecanic, rotite în plan orizontal, una față de cealaltă, cu un unghi de 180°, în jurul axei perpendiculare pe planul orizontal, de exemplu, a, b, c, d, e și f, fig. 2, și asamblarea acestora prin lipirea cu adezivi, brazarea, sudura sau prin nituirea părților 7, respectiv, 8, ce pot fi îndoite sub diferite forme, pentru a asigura suprafețe suficiente de contact, fig. 3, 4a și 4b.

Ga exemplu de aplicare a invenției, este prezentat un atenuator de impact, format din două învelișuri exterioare 1 și 3 identice sâu nu, ca grosime și câ material, în funcție de aplicație, realizați, de exemplu, din tablă, între care se află o structură celulară, stratificată 2, fig. 1.

RO 127038 Β1

Asamblarea structurii celulare stratificată 2, cu învelișurile exterioare 1, respectiv 3, se reali- 1 zează prin lipirea cu adezivi, brazarea, sudura sau prin nituirea părților 5, respectiv, 6, ce pot fi îndoite sub diferite forme, pentru a asigura suprafețe suficiente de contact, fig. 2, 3 și 5. 3

Scopul invenției este acela de a realiza, printr-un procedeu simplu, o structură celulară, expandată mecanic și de a obține, prin utilizarea acesteia, o structură celulară stratificată cu 5 capacitate mare de disipare, prin deformare plastică, a energiei de impact, fără șocuri, având o densitate relativă mică, și care poate fi adaptat unei aplicații specifice, pentru atenuarea 7 energiei de impact, prin simpla modificare a gradului de expandare G.

Claims (3)

1. Structură celulară, stratificată (2), cuprinzând două sau mai multe straturi succesive de structură celulară, elementară, expandată mecanic, formată dintr-un semifabricat plat (12), în care sunt practicate, prin intermediul unor perforări (9) și al unor tăieturi (10), niște celule, fiecare celulă fiind formată din șase nervuri dispuse, după expandare, după un contur poligonal, înclinate spațial două câte două, după trei direcții diferite, și care prezintă, într-un plan lateral, paralei cu planul median, niște prime fețe de așezare (7), iarîntr-un alt plan lateral, paralel cu planul median, niște fețe de așezare (8) secunde, îndoite astfel încât să fie paralele cu planul median, caracterizată prin aceea că straturile de structură celulară elementară sunt suprapuse unul peste celălalt și rotite în plan orizontal cu 180°, fiecare în raport cu precedentul, asamblarea straturilor fiind realizată după fețele de așezare (7 și 8), astfel încât structura celulară stratificată rezultată prezintă un spațiu intracelulardeschis, iar fiecare celulă, unitate nou formată, este compusă din 12 nervuri dispuse spațial, două câte două, după șase direcții diferite.

2. Structură celulară, stratificată, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că spațiul intercelular deschis, rămas în urma asamblării straturilor de structură celulară, elementară, expandata mecanic (a, b, c, d, e și f), este umplut cu spume poliuretanice de diferite densități sau cu alte materiale polimerice, hidrofuge, fonoabsorbante sau ignifuge.

3. Procedeu de realizare a structurii celulare, stratificată (2), în care se parcurg următoarele etape:

- asupra unui semifabricat plat (12), realizat din materiale metalice sau nemetalice care suportă deformațiî plastice, se aplică niște perforări (9) și niște tăieturi (10) specifice;

- în urma perforărilor (9) și a tăieturilor (10), se obțin niște muchii exterioare (5 și 6) care se îndoaie la un unghi egal cu gradul de expandare dorit, formând două fețe de așezare (7 și 8), în vederea realizării suprafețelor de contact cu straturile alăturate;

- se realizează etapa de expandare mecanică, prin aplicarea unei forțe U_y în planul materialului semifabricat, pe muchia marginală (11) a acestuia, orientată după o direcție perpendiculară pe perforările (9) și tăieturile (10) deja realizate, în timp ce deplasarea muchiei marginale opusă (13) este restricționată pe direcția de deplasare, rezultând astfel structura celulară, elementară, expandată mecanic;

- se suprapun două sau mai multe straturi de structură celulară elementară (a, b, c, d, e și f) și se rotesc în plan orizontal cu 180°, fiecare în raport cu precedenta, astfel încât contactul între ele se realizează prin fețele de așezare (7 și 8);

- se solidarizează fețele de așezare (7 și 8) între ele prin lipire, brazare, nituire, sudură etc., în funcție de materialul semifabricatului plat.