联合手性负泊松比结构与蜂窝结构的防撞装置的制作方法

本发明涉及一种联合手性负泊松比结构与蜂窝结构的防撞装置，属于冲击防护装置技术领域。

背景技术：

作为一种轻质多孔结构，负泊松比结构在承受纵向拉、压荷载作用时具有横向膨胀或收缩的特点，这种反常规的变形模式使其在建筑结构的抗爆、抗冲击领域有独特的优势。在负泊松比结构遭遇冲击荷载(比如由车辆或船舶的碰撞、爆炸引起)作用时，由于冲击区域附近材料的“收缩”而引起的材料密度的提高，将大大提高结构的抗冲击性能(与同等质量的单一材料相比)，减小碰撞或爆炸引起的结构的局部凹陷。此外，负泊松比结构还具有较高的断裂韧性、剪切强度和耗能能力等。在应用负泊松比结构于大曲率环境时，不会如传统蜂窝结构一样产生马鞍式变形。因此，近看来随着材料制备工艺以及3d打印技术的不断发展，关于负泊松比材料在土工防护结构、车辆装甲、防爆毯和智能穿戴等领域的研究和应用都有了长足的发展。

当应用负泊松比结构作为冲击防护装置吸能层时，由于其刚度相对较低而往往以夹层板式的结构形式出现。但是，当冲击荷载足够大时，会导致“刚性”蒙皮过早的失效而丧失其功能性，而过厚的蒙皮又违背了“轻质吸能”的结构优化理念。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种联合手性负泊松比结构与蜂窝结构的防撞装置，将手性负泊松比结构和蜂窝结构有机结合，具有轻质、吸能好、可抵御连续冲击和易修复的优点。

本发明所述的联合手性负泊松比结构与蜂窝结构的防撞装置，包括防撞装置，防撞装置由内向外设置有刚性内垫层、手性负泊松比层、刚性中垫层、蜂窝层和刚性蒙皮，手性负泊松比层为沿平面内方向布置的手性负泊松比结构，蜂窝层为沿平面外方向布置的蜂窝结构，刚性内垫层、刚性中垫层和刚性蒙皮均与相邻层固定连接。

优选地，所述手性负泊松比层由圆环式的节点及与其相切的六组肋条组成，所有节点的半径均相等，所有肋条的长度也均相等。

优选地，所述蜂窝层采用装配式结构，其中，刚性中垫层上预留楔形槽，楔形结构的蜂窝层放置至楔形槽内，相邻楔形槽内的蜂窝层紧密相连而形成圆环结构。

优选地，所述防撞装置，当轻度碰撞发生时，强度略低的手性负泊松比层先发挥作用，先是肋条发生塑性屈曲变形失效，再进一步发生节点的变形失效；当遭遇重度碰撞事件时，碰撞能由蜂窝层参与吸收，手性负泊松比层的失效模式为肋条和节点同时发生的塑性变形，手性负泊松比层在冲击力作用下具有起到保护防撞装置作用的较低应力峰值的特点。

优选地，所述刚性蒙皮制作成环节点形、内凹形或圆锥形。

优选地，所述负泊松比层和蜂窝层都为轻质多孔结构，漂浮于海面上并随水位自由调整防撞高度。

优选地，所述手性负泊松比层和蜂窝层根据实际情况选用不用的基体材料、相对密度值、几何或材料梯度以及占整个防撞装置的体积百分比，控制整个防撞装置的失效模式和防撞参数。

优选地，所述手性负泊松比层和蜂窝层的内部孔隙中填充用于提高其吸能、抗冲击能力的软材。

优选地，作为海洋工程防撞装置时，所述刚性蒙皮外表面喷涂防腐材料。

本发明的使用过程如下所示：沿平面内方向布置的手性负泊松比层刚度相对较弱：(1)当碰撞能较小时，里层的手性负泊松比层率先发生变形吸收一部分能量，其肋先屈曲失效而产生负泊松比效应；(2)当碰撞能继续增大，此防撞装置的目标是同时牺牲外部蜂窝层和内部的手性负泊松比层来吸收碰撞能，此时，手性负泊松比层相对蜂窝层产生相对小的峰值应力起到保护被防护结构的作用。

本发明的有益效果是：

(1)充分发挥多孔材料轻质吸能的特点，以及负泊松比结构良好的碰撞抵抗性能，与传统防撞装置相比，具有轻质、吸能好、可抵御连续冲击和易修复的优点，实现海洋结构防撞装置的可漂浮性，可随水位自由调整防撞高度；

(2)圆锥体式的刚性蒙皮外形也可用于海洋工程结构的抗冰装置；

(3)碰撞发生时，手性负泊松比层与蜂窝层的介入时机随着碰撞能大小的变化而变化，实现防撞装置的可重复利用性；

(4)低应力峰值的手性负泊松比结构作为最内层的防护材料，起到在剧烈碰撞发生时进一步保护建筑结构安全性的目的；

(5)蜂窝结构的模块化装配方式，便于安装和更换。

附图说明

图1是本发明的结构示意图之一。

图2是本发明的结构示意图之二。

图3是手性负泊松比层的结构示意图。

图4是手性负泊松比层的单元图。

图5是装配式蜂窝结构示意图。

图中：1、刚性内垫层；2、手性负泊松比层；21、节点；22、肋条；3、刚性中垫层；4、蜂窝层；5、刚性蒙皮。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明所述的联合手性负泊松比结构与蜂窝结构的防撞装置，为多层复合式结构，主要用于工程结构物的关键部件防护，例如海洋平台结构的抗冰、船撞击，桥墩和公路护栏等的防船、车碰撞防护，另外比较常见的土工防护结构、车辆装甲、防爆毯和智能穿戴等领域也有较好的效果。

如图1所示，本发明所述的联合手性负泊松比结构与蜂窝结构的防撞装置，其置于被防护关键结构的外表面，由内向外依次包括五层，分别是：刚性内垫层1、手性负泊松比层2、刚性中垫层3、蜂窝层4和刚性蒙皮5。其中，刚性内垫层1和刚性中垫层3，通过粘结剂与其他各层实现连接，主要起到连接过度作用；刚性蒙皮5，通过在外表面喷涂防腐材料，主要起到减缓或者防止腐蚀的作用。

本发明中，起到碰撞防护作用的是：手性负泊松比层2和蜂窝层4，两者起到了吸能的作用。

其中，手性负泊松比层2，如图3所示，其为多层的孔状结构。沿平面内方向布置的手性负泊松比层2刚度相对较弱：防撞装置，当轻度碰撞发生时，强度略低的手性负泊松比层2先发挥作用，先是肋条22发生塑性屈曲变形失效，再进一步发生节点21的变形失效；当遭遇重度碰撞事件时，碰撞能由蜂窝层4参与吸收，手性负泊松比层2的失效模式为肋条22和节点21同时发生的塑性变形，手性负泊松比层2在强冲击力作用下具有较低的应力峰值起到保护被撞结构的作用。

碰撞发生时，负泊松比结构吸能层与蜂窝结构层的介入时机随着碰撞能大小的变化而变化，实现防撞装置的可重复利用性。

本发明采用的手性负泊松比层2的单元结构，如图4所示，手性负泊松比层2由圆环式的节点21及与其相切的六组肋条22组成，所有节点21的半径均相等，所有肋条22的长度也均相等。

图3中的手性负泊松比层2，由图4的单元结构依次相四周扩展形成。图4的单元结构，在受到外部压力作用时，肋22缠绕于节点21，引起结构的负泊松效应。

其中，蜂窝层4，如图1和图2所示，其为多层的孔状结构。沿平面外方向布置的蜂窝层4刚度相对大：在有较大的碰撞能产生时利用其塑性变形来吸能。

实施例2：

如图5所示，蜂窝层4采用的是装配式结构。蜂窝结构沿其出平面方向布置来抵抗外部碰撞荷载，与刚性中垫层3和最外层刚性蒙皮5通过粘结剂粘结在一起。为避免其在大曲率成型下的“马鞍效应”，并实现其易安装和易更换的目标，采用模块化的方式进行装配。在刚性中垫层3上事先预留出楔形槽，然后再放置楔形结构的蜂窝层4。相邻楔形槽内的蜂窝层4紧密相连而形成环状结构。

需要说明的是：如果单纯只采用负泊松比层作为冲击防护装置吸能层，由于其刚度相对较低，冲击荷载足够大会导致“刚性”蒙皮过早的失效而丧失其功能性，而过厚的蒙皮又违背了“轻质吸能”的结构优化理念。为了平衡蒙皮的“刚性”和厚度，在负泊松比层和刚性蒙皮5之间增加蜂窝层4。蜂窝层4既不会降低蒙皮的刚性，又不会违背负泊松比层“轻质吸能”的结构优化理念，实现了意想不到的效果。

需要说明的是：由于负泊松比层和蜂窝层4都为轻质多孔结构，其放置在海水中，可以实现防撞装置的可漂浮性，可随水位自由调整防撞高度。

实施例3：

本发明的联合手性负泊松比结构与蜂窝结构的防撞装置，其结构是多种多样的。

防撞装置可以制作成环形、内凹形，甚至圆锥形。防撞装置制作成环形，可以用于防护桥墩和海洋平台与船舶之间的碰撞，以及道路旁建筑立柱与车辆之间的碰撞。环形的防撞装置也是最常见的结构，如图1所示。防撞装置制作成内凹形或圆锥形，如图2所示，主要是指最外层刚性蒙皮5可以制作成内凹形或圆锥形，可以用于海洋工程结构抗冰并防止在碰撞中防撞装置上、下滑移。

实施例4：

本发明的手性负泊松比层2和蜂窝层4，其参数根据实际情况进行选择。

手性负泊松比层2和蜂窝层4可以根据实际情况选用不用的基体材料、相对密度值、几何或材料梯度以及占整个防撞装置的体积百分比，以便控制整个防撞装置的失效模式和防撞参数。充分发挥多孔材料轻质吸能的特点，以及负泊松比结构良好的碰撞抵抗性能，与传统防撞装置相比，具有轻质、吸能好、可抵御连续冲击和易修复的优点。另外，最外层刚性蒙皮5也可以采用复合材料，用于高腐蚀性环境的刚性蒙皮外表面可喷涂防腐材料。

此外，为了提高强度和吸能能力，在手性负泊松比层2和蜂窝层4的内部孔隙中，可以填充吸能、抗冲击能力的软材，例如聚氨酯泡沫。

本发明可广泛运用于冲击防护装置场合，尤其是陆地和海洋建筑结构安全防护领域。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。