一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置及設計方法
【專利摘要】本發(fā)明將蜂窩胞元分為折疊區(qū)和非折疊區(qū)兩個區(qū)域，對折疊區(qū)的蜂窩胞元在異面方向進行一次或多次相同角度或不同角度的折疊處理，每次折疊取蜂窩胞元高度將折疊區(qū)和非折疊區(qū)的蜂窩胞元進行串聯(lián)連接，連接后在與異面方向垂直的平面進行陣列，可以有效降低蜂窩緩沖裝置峰值應力，提高蜂窩緩沖裝置吸能效率。
【專利說明】
一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置及設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置及設計方法，用于被動安全防護、 星球探測著陸緩沖等領域。
【背景技術】
[0002] 蜂窩緩沖裝置由于其緩沖吸能能力強、變形可控且受環(huán)境因素影響較小等特點， 被廣泛應用于軌道車輛被動安全防護領域及星球探測著陸緩沖吸能領域。目前評價蜂窩緩 沖裝置緩沖性能通常采用蜂窩平均應力與峰值應力比值即蜂窩緩沖裝置吸能效率進行評 價。提高蜂窩緩沖裝置吸能效率主要通過提高蜂窩緩沖裝置平均應力或降低峰值應力實 現(xiàn)。然而蜂窩緩沖裝置平均應力與結構參數(shù)密切相關，在不改變結構參數(shù)條件下難以有效 提高平均應力，且傳統(tǒng)的蜂窩緩沖裝置其峰值應力也難以得到有效降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的技術解決問題：為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種提高吸能效率的蜂 窩緩沖裝置及設計方法，通過對蜂窩緩沖裝置異面方向進行部分折疊處理，以降低蜂窩緩 沖裝置異面方面峰值應力提高吸能效率。
[0004] 本發(fā)明的技術解決方案是：
[0005] -種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置，包括非折疊區(qū)和折疊區(qū)，每個非折疊區(qū)與折 疊區(qū)均由若干組中空蜂窩胞元多面體結構組成，定義中空方向為Z軸方向，非折疊區(qū)與折疊 區(qū)的蜂窩胞元沿Z軸垂直面方向呈陣列式分布，折疊區(qū)與非折疊區(qū)蜂窩胞元沿Z軸方向連 接，折疊區(qū)至少進行一次偏折，進行第一次偏折時取任意方向，第一次偏折后蜂窩胞元表面 與非折疊區(qū)蜂窩胞元表面間的夾角為銳角ki，后續(xù)每次偏折與前一次偏折方向相反，每次 偏折后折疊區(qū)蜂窩胞元表面與非折疊區(qū)蜂窩胞元表面間的夾角分別取銳角k 2、k^_~kn，其 中η為經(jīng)過η次偏折，每次偏折取蜂窩胞元高度為/ 6 + >/?；Γηι·7 3 其中t為蜂窩胞元厚 度，1和w為蜂窩胞元邊長。
[0006] h、k2…~kn的夾角范圍為18°~74°。
[0007] 每個非折疊區(qū)與折疊區(qū)均由若干組中空蜂窩胞元多面體結構組成，胞元多面體結 構可為相同胞元結構，也可為不同胞元結構。
[0008] 對于六邊形相同蜂窩胞元多面體，每次偏折取蜂窩胞元高度為 /6 + /3 5其中t為蜂窩胞元厚度，1和w為蜂窩胞元任意邊長。
[0009] 對于正三邊形相同蜂窩胞元多面體，每次偏折取蜂窩胞元高度為乂對//VI 5其中t 為蜂窩胞元厚度，1為蜂窩胞元任意邊長。
[0010] 對于正四邊形相同蜂窩胞元多面體，每次偏折取蜂窩胞元高度為VWf//2，其中t為 蜂窩胞元厚度，1為蜂窩胞元任意邊長。
[0011] -種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置設計方法，蜂窩緩沖裝置包括折疊區(qū)和非折疊 區(qū)，每個非折疊區(qū)與折疊區(qū)均由若干組中空蜂窩胞元多面體結構組成，其特征在于，具體步 驟為：
[0012] 步驟1，建立坐標系：以非折疊區(qū)蜂窩胞元中空方向為坐標系Z軸方向，在與Z軸垂 直且為折疊區(qū)和非折疊區(qū)交界平面上選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定 則確定Y軸方向；
[0013] 步驟2，折疊蜂窩設計:第一次折疊首先選取高度為/ 6 + ·ν%τΛι7 3的蜂窩胞 元進行折疊，其中t為蜂窩胞元厚度，1和w為蜂窩胞元任意邊長，折疊后蜂窩胞元表面與Χ-Ζ 平面方向夾角范圍為18°~74°，折疊后蜂窩胞元表面與Y-Z平面方向夾角范圍為24°~69° ;
[0014] 步驟3,非折疊蜂窩設計:選擇與折疊蜂窩相同的蜂窩胞元結構，在Z軸方向與折疊 蜂窩進行連接；
[0015] 步驟4，將連接后的蜂窩胞元在X-Y平面內(nèi)陣列。
[0016] 還可以在步驟2的基礎上，繼續(xù)進行多次折疊，每次折疊方向與前一次折疊方向相 反，折疊高度為/6 + 其中t為蜂窩胞元厚度，1和w為蜂窩胞元任意邊長，每 次折疊后蜂窩胞元表面與X-Z平面方向夾角范圍為18°~74°，折疊后蜂窩胞元表面與γ-Z平 面方向夾角范圍為24°~69°。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：
[0018] (1)本發(fā)明將蜂窩胞元分為折疊區(qū)和非折疊區(qū)兩個區(qū)域，對折疊區(qū)的蜂窩胞元在 異面方向進行一次或多次相同角度或不同角度的折疊處理，每次折疊取蜂窩胞元高度 將折疊區(qū)和非折疊區(qū)的蜂窩胞元進行串聯(lián)連接，連接后再與異面方 向垂直的平面進行陣列，可以有效降低蜂窩緩沖裝置峰值應力，提高蜂窩緩沖裝置吸能效 率；
[0019] (2)本發(fā)明蜂窩緩沖裝置具有部分折疊特征，對蜂窩緩沖裝置總吸能量即吸能能 力幾乎沒有影響，但對蜂窩緩沖裝置有效吸能效率有顯著提高，對蜂窩緩沖裝置小形化，輕 量化有重要意義；
[0020] (3)本發(fā)明涉及的蜂窩緩沖裝置與設計方法，擴展了蜂窩緩沖裝置在被動安全領 域的應用，對金屬和非金屬蜂窩緩沖裝置以及蜂窩胞元多面體組成的不同拓撲構型的蜂窩 緩沖裝置吸能效率均有提升，通過合理的折疊設計，可應用于交通車輛被動安全防護以及 星球探測、小行星探測等緩沖裝置中，由于本發(fā)明可有效降低蜂窩緩沖裝置初始峰值應力， 擴展了蜂窩緩沖裝置在許用安全應力較低的設計工況下的應用。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明蜂窩緩沖裝置各方向示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明蜂窩緩沖裝置截面圖；
[0023]圖3為本發(fā)明異面載荷作用下蜂窩結構應力-應變曲線圖；
[0024]圖4為本發(fā)明折疊蜂窩緩沖裝置圖；
[0025]圖5為本發(fā)明實施例1經(jīng)折疊后蜂窩裝置應力-應變曲線圖；
[0026]圖6為未經(jīng)折疊處理的蜂窩裝置應力-應變曲線圖；
[0027]圖7為本發(fā)明實施例2經(jīng)折疊后蜂窩裝置應力-應變曲線圖；
[0028]圖8為本發(fā)明實施例3經(jīng)折疊后蜂窩裝置應力-應變曲線圖；
[0029]圖9為圖4的局部放大圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細地描述。
[0031] 如圖1所示，蜂窩結構z軸方向稱為異面方向，蜂窩結構x-y平面方向稱為共面方 向。本發(fā)明涉及一種提高蜂窩緩沖裝置異面方向吸能效率的緩沖裝置及設計方法，蜂窩緩 沖裝置包括非折疊區(qū)和折疊區(qū)，每個非折疊區(qū)與折疊區(qū)均由若干組中空蜂窩胞元多面體結 構組成，定義中空方向為Z軸方向，非折疊區(qū)與折疊區(qū)的蜂窩胞元沿Z軸垂直面方向呈陣列 式分布，折疊區(qū)與非折疊區(qū)蜂窩胞元沿Z軸方向連接，折疊區(qū)至少進行一次偏折，進行第一 次偏折時取任意方向，第一次偏折后蜂窩胞元表面與非折疊區(qū)蜂窩胞元表面間的夾角為銳 角、，后續(xù)每次偏折與前一次偏折方向相反，每次偏折后折疊區(qū)蜂窩胞元表面與非折疊區(qū) 蜂窩胞元表面間的夾角分別取銳角k 2、k^_~kn，其中η為經(jīng)過η次偏折，每次偏折取蜂窩胞 元高度為士3對//6 + vir/W3 >其中t為蜂窩胞元厚度，1和w為蜂窩胞元邊長，詳細如圖2所 不。
[0032] 當蜂窩結構受到異面載荷作用時，其變形過程力學特性可以分為三個階段:初始 階段的彈性變形階段，穩(wěn)態(tài)塑性壓潰階段及密實階段，如圖3所示，對于蜂窩結構，在加載的 初始階段中，蜂窩胞元發(fā)生彎曲變形，載荷未達到蜂窩結構屈曲強度之前，應力表現(xiàn)出隨應 變增加而線性增大的趨勢，當載荷超過屈曲強度時，蜂窩結構進入塑性變形階段，蜂窩結構 在彈性區(qū)的最大應力值定義為峰值應力P CT。蜂窩結構進入塑性變形階段后，通過沿異面方 向的塑性坍塌變形吸收能量，通常將該階段應力的平均值定義為蜂窩結構的平均應力P m。 伴隨著變形逐漸增加，蜂窩結構最終被壓實，其胞元材料進一步堆疊在一起，導致最后階段 應力急劇增大。采用蜂窩結構作為緩沖裝置時，定義壓實階段的蜂窩結構應變值為蜂窩緩 沖裝置有效吸能的極限應變。吸能能力和緩沖效率是表征蜂窩緩沖裝置吸能性能及緩沖裝 置設計的一個重要指標，吸能能力通常用平均應力進行表征，緩沖效率η定義為蜂窩結構平 均應力與峰值應力的比值即n=Pm/P cr。
[0033] 通過以下建模方法可實現(xiàn)本發(fā)明涉及的蜂窩結構建模，為便于表達而又不失普示 性，取兩次折疊為例建立本發(fā)明涉及的蜂窩模型，如圖4所示，在蜂窩結構頂端，取特定長度 2H的區(qū)域作為蜂窩緩沖裝置折疊區(qū)域。折疊處理的蜂窩區(qū)域可劃分為兩部分，其頂端與底 端在x-y方向截面完全一致，通過改變兩端相交處截面位置實現(xiàn)折疊處理。
[0034] 具體建模方式如圖9所示，在蜂窩結構頂端取長度為2/T = 的區(qū)域進行折疊處理，并將該區(qū)域沿z方向平均分為兩部分，其中上部分頂端截面稱為截面 1，下部分底端截面稱為截面2，兩部分相交截面稱為截面3，三個截面蜂窩胞元多面體組成 的拓撲構型與結構參數(shù)完全相同，且截面1和截面2在x-y方向位置相同，通過調整截面3與 其他兩截面位置在x-y平面的位置關系，來確定頂端折疊區(qū)域的結構形式。如圖9所示，在上 端折疊區(qū)域建立局部坐標系x'y'z'，設E點為圓點0'，EF邊與y'軸重合，且截面2在x'o'y'平 面內(nèi)。定義截面1中A點坐標為XIA'yiA'ZIA'，B點坐標為XlB'yiB'ZlB'，截面2中E點坐標為X2E' y2E Z2E，F(xiàn)點坐標為X2F y2F Z2F，截面3中0點坐標為X3C y3C Z3C，D點坐標為X3D y3D Z3D。按 照折疊處理要求，對三個截面6個點坐標有如下限制:X1A' =X2E' =X3C'-l/6，yiA' =y2E' =y3C -w/6,Z1A =2H,Z2E =0,Z3C =H,X1B =X2F =X3D -1/6,yiB =y2F =y3D -w/6,Z1B =2H, Z2F' = 0，Z3D' =H，SPz方向上截面3位于截面1與截面2正中，且截面3與其它兩截面在x'-y' 面內(nèi)X'方向相差l/6，y'方向相差w/6。通過截面1與截面3連接建立折疊區(qū)上半部分蜂窩結 構胞元，通過截面3和截面2連接建立折疊區(qū)下半部分蜂窩結構胞元，通過截面2拉伸建立非 折疊區(qū)蜂窩胞元，胞元間彼此串聯(lián)連接，生成本發(fā)明涉及的蜂窩緩沖裝置。
[0035] -種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置設計方法，蜂窩緩沖裝置包括折疊區(qū)和非折疊 區(qū)，每個非折疊區(qū)與折疊區(qū)均由若干組中空蜂窩胞元多面體結構組成，具體步驟為：
[0036] 步驟1，建立坐標系：以非折疊區(qū)蜂窩胞元中空方向為坐標系Z軸方向，在與Z軸垂 直且為折疊區(qū)和非折疊區(qū)交界平面上選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定 則確定Y軸方向；
[0037] 步驟2，折疊蜂窩設計:第一次折疊首先選取高度為/ 6 + V^r/U7 3的蜂窩胞 元進行折疊，其中t為蜂窩胞元厚度，1和w為蜂窩胞元任意邊長，折疊后蜂窩胞元表面與X-Z 平面方向夾角范圍為18°~74°，折疊后蜂窩胞元表面與Y-Z平面方向夾角范圍為24°~69° ;
[0038] 步驟3,非折疊蜂窩設計:選擇與折疊蜂窩相同的蜂窩胞元結構，在Z軸方向與折疊 蜂窩進行連接；
[0039] 步驟4,將連接后的蜂窩胞元在X-Y平面內(nèi)陣列。
[0040] 還可以在步驟2的基礎上，繼續(xù)進行多次折疊，每次折疊方向與前一次折疊方向相 反，折疊高度為/6 + /3 ^其中t為蜂窩胞元厚度，1和w為蜂窩胞元任意邊長，每 次折疊后蜂窩胞元表面與X-Z平面方向夾角范圍為18°~74°，折疊后蜂窩胞元表面與Y-Z平 面方向夾角范圍為24°~69°。
[0041 ] 實施例1:
[0042] 取蜂窩胞元邊長1為6111111，'\￥為6111111，厚度1:為0.041]1111，胞元夾角€[為30°。建立坐標系1， 以非折疊區(qū)蜂窩胞元中空方向為坐標系Z軸方向，在與Z軸垂直且為折疊區(qū)和非折疊區(qū)交界 平面上選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向；對蜂窩沿異面 方向進行兩次折疊，第一次折疊后折疊區(qū)域蜂窩結構與XZ平面方向夾角為18°，與YZ平面方 向夾角為24°，第一次折疊蜂窩高度為0.81mm。第二次折疊與第一次折疊方向相反，同樣折 疊后折疊區(qū)域蜂窩結構與XZ平面方向夾角為18°，與YZ平面方向夾角為24°，折疊高度為 0.81mm0
[0043] 經(jīng)折疊后蜂窩緩沖裝置受異面方向載荷作用下的應力-應變曲線如圖5所示，未經(jīng) 折疊處理的蜂窩緩沖裝置受異面方向載荷作用下的應力-應變曲線如圖6所示，通過計算可 得本案例經(jīng)預折疊處理的蜂窩緩沖裝置平均應力為Pm = 0.303Mpa，峰值應力為Pcr = 0.41Mpa，吸能效率為n = Pm/PCT = 73.9 %。本案例未經(jīng)折疊處理的蜂窩緩沖裝置平均應力為 Pm=0 · 303Mpa，峰值應力為= 0 · 936Mpa，吸能效率為n = Pm/PCT = 33 · 4%。本方法折疊后的 蜂窩緩沖裝置吸能效率提高了 2.21倍，且沒有降低蜂窩緩沖裝置吸能能力。
[0044] 實施例2:
[0045] 取蜂窩胞元邊長1為6111111，'\￥為6111111，厚度1:為0.041]1111，胞元夾角€[為30°。建立坐標系1， 以非折疊區(qū)蜂窩胞元中空方向為坐標系Z軸方向，在與Z軸垂直且為折疊區(qū)和非折疊區(qū)交界 平面上選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向；對蜂窩沿異面 方向進行兩次折疊，第一次折疊后折疊區(qū)域蜂窩結構與XZ平面方向夾角為53°，與YZ平面方 向夾角為65°，第一次折疊蜂窩高度為0.81mm。第二次折疊與第一次折疊方向相反，同樣折 疊后折疊區(qū)域蜂窩結構與XZ平面方向夾角為53°，與YZ平面方向夾角為65°，折疊高度為 0 · 81mm0
[0046] 經(jīng)折疊后蜂窩緩沖裝置受異面方向載荷作用下的應力-應變曲線如圖7所示，通過 計算可得本案例經(jīng)預折疊處理的蜂窩緩沖裝置平均應力SP m=〇.303Mpa，峰值應力為Pcr = 0.424Mpa，吸能效率為n = Pm/Pcr = 71.5%。本案例未經(jīng)折疊處理的蜂窩緩沖裝置平均應力 為Pm=0·303Mpa，峰值應力為P。 r = 0·936Mpa，吸能效率為n = Pm/P。r = 33·4%。本方法折疊后 的蜂窩緩沖裝置吸能效率提高了 2.14倍，且沒有降低蜂窩緩沖裝置吸能能力。
[0047] 實施例3:
[0048] 取蜂窩胞元邊長1為6111111，'\￥為6111111，厚度1:為0.041]1111，胞元夾角€[為30°。建立坐標系1， 以非折疊區(qū)蜂窩胞元中空方向為坐標系Z軸方向，在與Z軸垂直且為折疊區(qū)和非折疊區(qū)交界 平面上選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向；對蜂窩沿異面 方向進行兩次折疊，第一次折疊后折疊區(qū)域蜂窩結構與XZ平面方向夾角為69°，與YZ平面方 向夾角為76°，第一次折疊蜂窩高度為0.81mm。第二次折疊與第一次折疊方向相反，同樣折 疊后折疊區(qū)域蜂窩結構與XZ平面方向夾角為69°，與YZ平面方向夾角為76°，折疊高度為 0.81mm0
[0049] 經(jīng)折疊后蜂窩緩沖裝置受異面方向載荷作用下的應力-應變曲線如圖8所示，通過 計算可得本案例經(jīng)預折疊處理的蜂窩緩沖裝置平均應力SP m=〇.303Mpa，峰值應力為Pcr = 0.451Mpa，吸能效率為n = Pm/PCT = 67.2%。本案例未經(jīng)折疊處理的蜂窩緩沖裝置平均應力 為Pm=0·303Mpa，峰值應力為P。 r = 0·936Mpa，吸能效率為n = Pm/P。r = 33·4%。本方法折疊后 的蜂窩緩沖裝置吸能效率提高了 2.01倍，且沒有降低蜂窩緩沖裝置的吸能能力。
[0050] 本發(fā)明未詳細描述內(nèi)容為本領域技術人員公知技術。
【主權項】
1. 一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置，其特征在于，包括非折疊區(qū)和折疊區(qū)，每個非折 疊區(qū)與折疊區(qū)均由若干組中空蜂窩胞元多面體結構組成，定義中空方向為Z軸方向，非折疊 區(qū)與折疊區(qū)的蜂窩胞元沿Z軸垂直面方向呈陣列式分布，折疊區(qū)與非折疊區(qū)蜂窩胞元沿Z軸 方向連接，折疊區(qū)至少進行一次偏折，進行第一次偏折時取任意方向，第一次偏折后蜂窩胞 元表面與非折疊區(qū)蜂窩胞元表面間的夾角為銳角kl，后續(xù)每次偏折與前一次偏折方向相 反，每次偏折后折疊區(qū)蜂窩胞元表面與非折疊區(qū)蜂窩胞元表面間的夾角分別取銳角k2、k3··· ~kn，其中η為經(jīng)過η次偏折，每次偏折取蜂窩胞元高度天其中t為蜂 窩胞元厚度，1和W為蜂窩胞元邊長。2. 如權利要求1所述的一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置，其特征在于:kl、k2…~kn的 夾角范圍為18°~74°。3. 如權利要求1所述的一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置，其特征在于:每個非折疊區(qū) 與折疊區(qū)均由若干組中空蜂窩胞元多面體結構組成，胞元多面體結構可為相同胞元結構， 也可為不同胞元結構。4. 如權利要求3所述的一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置，其特征在于:對于六邊形相 同蜂窩胞元多面體，每次偏折取蜂窩胞元高度為，其中t為蜂窩胞元厚 度，1和W為蜂窩胞元任意邊長。5. 如權利要求3所述的一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置，其特征在于:對于正Ξ邊形 相同蜂窩胞元多面體，每次偏折取蜂窩胞元高度天> 其中t為蜂窩胞元厚度，1為蜂 窩胞元任意邊長。6. 如權利要求3所述的一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置，其特征在于:對于正四邊形 相同蜂窩胞元多面體，每次偏折取蜂窩胞元高度關，其中t為蜂窩胞元厚度，1為蜂 窩胞元任意邊長。7. -種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置設計方法，蜂窩緩沖裝置包括折疊區(qū)和非折疊 區(qū)，每個非折疊區(qū)與折疊區(qū)均由若干組中空蜂窩胞元多面體結構組成，其特征在于，具體步 驟為： 步驟1，建立坐標系：W非折疊區(qū)蜂窩胞元中空方向為坐標系Z軸方向，在與Z軸垂直且 為折疊區(qū)和非折疊區(qū)交界平面上選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確 定Y軸方向； 步驟2,折疊蜂窩設計:第一次折疊首先選取高度為、的蜂窩胞元進 行折疊，其中t為蜂窩胞元厚度，1和W為蜂窩胞元任意邊長，折疊后蜂窩胞元表面與X-Z平面 方向夾角范圍為18°~74°，折疊后蜂窩胞元表面與Y-Z平面方向夾角范圍為24°~69% 步驟3,非折疊蜂窩設計:選擇與折疊蜂窩相同的蜂窩胞元結構，在Z軸方向與折疊蜂窩 進行連接； 步驟4，將連接后的蜂窩胞元在X-Y平面內(nèi)陣列。8. 如權利要求7所述的一種提高吸能效率的蜂窩緩沖裝置設計方法，其特征在于:還可 W在步驟2的基礎上，繼續(xù)進行多次折疊，每次折疊方向與前一次折疊方向相反，折疊高度 關其中t為蜂窩胞元厚度，1和w為蜂窩胞元任意邊長，每次折疊后蜂 窩胞元表面與X-Z平面方向夾角范圍為18°~74%折疊后蜂窩胞元表面與Y-Z平面方向夾角 范圍為24°~69°。
【文檔編號】B60R19/18GK106081356SQ201610377565
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】李萌, 姚娜, 宋琦, 崔方明, 賈海鵬
【申請人】中國空間技術研究院