一种多级跳变屈曲吸能结构

1.本实用新型属于多稳态结构技术领域，具体涉及一种多级跳变屈曲吸能结构。


背景技术：

2.跳变屈曲常见于多稳态结构受载，即当多稳态结构受外力作用下由一种稳态转变为另一种稳态时的屈曲转变现象，且加载曲线随着结构变形出现突变。利用这种力学特性设计的结构和机械能够减少多余的约束装置，简化机械结构，可用于自锁结构、支撑结构和展开结构的设计。多级跳变屈曲是指结构在已发生屈曲的基础上，仍能够再次或多次发生跳变屈曲的多稳态现象，可实现更丰富、复杂的功能和吸能效果。
3.本实用新型提出了一种轴向受压后可发生多级跳变屈曲行为的吸能结构。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种对不同压载具有不同等级响应，且发生弹性变形可恢复的多级跳变屈曲吸能结构。
5.本实用新型提供的多级跳变屈曲吸能结构，在受压时会依次发生多级跳变屈曲，如图1、图7所示，具体为多层、网格状的圆台结构，具体由若干根相同形状的顺时针螺旋锥状旋转的曲梁以及相同数目的逆时针螺旋锥状旋转的曲梁构成，这些曲梁互相交错连接，形成网状结构；整个网格状的圆台结构自下至上分为若干层，相邻两层间由一圆形板分隔，分割板与底层板平行。
6.圆台的对称轴方向称为轴向，在此方向施加的压力，称为轴向载荷f，在轴向载荷f作用下，结构相应地发生轴向压缩变形。每一状态下，结构轴向长度已发生变化值
△
h与结构轴向原长h的比值称为轴向应变ε，即ε=值
△
h/h 。
7.本实用新型中，所述曲梁的横截面为圆形、方形，也可以为其它形状。本实用新型所设计结构是无量纲的，因此所给出尺寸范围仅作参考，在实际生产中如有需要可酌情拓展。
8.其横截面面积为1～16mm2。
9.本实用新型中，所述曲梁的根数（顺时针螺旋锥状或逆时针螺旋锥状）一般为12～20根， 具体根据圆台结构的上、下底圆板的大小以及结构的层次多少确定；
10.通常地，整体结构的层数为2～5层，图1中为2层，图7中为3层；
11.通常地，整体结构的底层圆板直径为20～500mm，顶层圆板直径为5～300 mm；
12.通常地，整体结构中，各层的高度相同。
13.本实用新型中，所述曲梁和分割板通常采用具有较好的弹性和韧性材料，比如tpu、tpu95a、尼龙等。
14.本实用新型设计的多级跳变屈曲吸能结构，可以采用3d打印增材制造的方式制备，也可采用拼接和粘结等多种方式制备。
15.例如，采用3d打印增材制造的方式将图纸打印，采用水溶性支撑。打印完成后浸入
水中，去除支撑材料后晾干，施加压力即可实现多级跳变屈曲。
16.本实用新型设计的多级跳变屈曲吸能结构具有如下特性：
17.（1）受压能产生多种变形形式，且每种变形可调控；
18.（2）本结构属于多稳态结构，每种形态具有较高的稳定性；
19.（3）级数可调，多级跳变屈曲顺序可调，形态变化极具灵活性。
20.本实用新型提出的具有多级跳变屈曲力学特性的结构，对不同的压载具有不同等级的响应，且发生弹性变形可恢复。通过设计可实现：载荷检测、多级吸能、多级压缩和多级自锁等功能，在机械装备设计、航空航天、建筑工程、材料和运输等领域具有应用前景。
附图说明
21.图1为二级吸能结构示意图（分为侧视图，俯视图，立体图）。
22.图2为实施例1二级吸能结构受轴向压载荷图初始图。
23.图3为实施例1二级吸能结构受轴向压载荷图第一级吸能变形图。
24.图4为实施例1二级吸能结构受轴向压载荷图第二级吸能变形图。
25.图5为实施例1二级吸能结构轴向载荷-轴向应变图。
26.图6为实施例1二级吸能结构应变能-轴向应变图。
27.图7为三级吸能结构示意图（分为侧视图，俯视图，立体图）。
28.图8为实施例2三级吸能结构受轴向压载荷图初始图。
29.图9为实施例2三级吸能结构受轴向压载荷图第一级吸能变形图。
30.图10为实施例2三级吸能结构受轴向压载荷图第二级吸能变形图。
31.图11为实施例2三级吸能结构受轴向压载荷图第三级吸能变形图。
32.图12为实施例2三级吸能结构轴向载荷-轴向应变图。
33.图13为实施例2三级吸能结构应变能-轴向应变图。
具体实施方式
34.实施例1：
35.使用3d打印机打印，所用材料为tpu95a和pla，所用水溶性支撑材料为pva。
36.设计的多级跳变屈曲吸能结构如图2所示，其结构有两层，各板厚度均为2mm，采用pla材料打印，由上至下圆盘半径分别为12mm、32mm和52mm；层内顺时针、逆时针螺旋锥形梁各8根，螺距为160mm，圈数0.25圈，起始角度均布，其截面形状为半径为1mm的圆，上下两层螺旋锥形上端半径分别为10mm和30mm，由tpu材料打印。
37.如图3和图4所示，受轴向压载荷，该结构依次发生两次跳变屈曲，相应地如图5所示，横轴为轴向应变ε，纵轴为施加的轴向载荷f，可以看出，在轴向压力加载时，结构发生变形，过程中载荷存在两个“峰值”。在图6中，横轴为轴向应变ε，纵轴为结构吸收能量后获得的应变能e，结构在变形过程中能够持续吸收能量。
38.实施例2：
39.使用3d打印机打印，所用材料为tpu95a和pla，所用水溶性支撑材料为pva。
40.设计的多级跳变屈曲吸能结构如图8所示，其结构有三层，各板厚度均为2mm，采用pla材料打印，由上至下圆盘半径分别为12mm、32mm、52mm和72mm；层内顺时针、逆时针螺旋
锥形梁各8根，螺距为160mm，圈数0.25圈，起始角度均布，其截面形状为半径为1mm的圆，上下两层螺旋锥形上端半径分别为10mm、30mm和50mm，由tpu材料打印。
41.如图9、图10和图11所示，受轴向压载荷，该结构依次发生三次跳变屈曲，相应地如图12所示，在轴向压力加载时，结构发生变形，过程中载荷存在三个“峰值”。如图13所示。结构在变形过程中能够持续吸收能量，且实施例2中结构的吸能效果优于实施例1。


技术特征：
1.一种多级跳变屈曲吸能结构，其特征在于，为多层、网格状的圆台结构，由若干根相同形状的顺时针螺旋锥状扭转的曲梁以及相同数目的逆时针螺旋锥状扭转的曲梁构成，这些曲梁互相交错连接，形成网状结构；整个网格状的圆台结构自下至上分为若干层，相邻两层间由一圆形板分隔，分割板与底层板平行；在受轴向载荷时会依次发生多级跳变屈曲。2.根据权利要求1所述的多级跳变屈曲吸能结构，其特征在于，所述曲梁的横截面为圆形或方形，其横截面面积为1～16mm2。3.根据权利要求1所述的多级跳变屈曲吸能结构，其特征在于，所述顺时针螺旋锥状扭转的曲梁或逆时针螺旋锥状扭转的曲梁的根数为12～20根，具体根据圆台结构的上、下底圆板的大小以及结构的层次多少确定。4.根据权利要求1所述的多级跳变屈曲吸能结构，其特征在于，整体结构的层数为2～5层。5.根据权利要求1所述的多级跳变屈曲吸能结构，其特征在于，底层圆板直径为20～500mm，顶层圆板直径为5～300mm。6.根据权利要求1所述的多级跳变屈曲吸能结构，其特征在于，各层的高度相同。

技术总结
本实用新型属于多稳态结构技术领域，具体为一种多级跳变屈曲吸能结构。本多级跳变屈曲吸能结构为多层、网格状的圆台结构，由若干根相同形状的顺时针螺旋锥状扭转的曲梁以及相同数目的逆时针螺旋锥状扭转的曲梁构成，这些曲梁互相交错连接，形成网状结构；整个网格状的圆台结构自下至上分为若干层，相邻两层间由一圆形板分隔，分割板与底层板平行；在受轴向载荷时会依次发生多级跳变屈曲。本结构的每种变形可调控，每种形态具有较高的稳定性，形态变化极具灵活性，且发生弹性变形可恢复；可实现载荷检测、多级吸能、多级压缩和多级自锁等功能，在机械装备设计、航空航天、建筑工程、材料和运输等领域具有应用前景。料和运输等领域具有应用前景。料和运输等领域具有应用前景。


技术研发人员：徐凡 张晓亮 汪婷 杨易凡
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2021.08.15
技术公布日：2022/4/8