仿蒲草缓冲吸能薄壁复合结构

本发明涉及建筑、海洋平台等大型结构物以及船舶、航天、汽车、高铁等交通工具在冲击碰撞过程中的缓冲吸能领域，尤其涉及一种仿蒲草缓冲吸能薄壁复合结构。

背景技术：

1、目前，随着日常交通工具速度的提升，碰撞等强冲击载荷的威胁也越来越普遍。在航运领域，船舶面临的主要威胁是两船碰撞或搁浅事故中的碰撞冲击。此外，海洋结构物如海洋平台和储油设施也易遭受船舶的碰撞冲击。由于海上自然条件恶劣，并且海洋结构物离岸较远，后勤保障和能源供应难以及时送达。因此，提高船舶和海洋结构物的抗冲击性能至关重要。此外，当汽车在高速行驶过程中发生碰撞时，剧烈冲击将对人员的生命和财产安全造成严重威胁。通过提高汽车保险杠和车身结构的吸能防撞性能，可以降低人体受到的冲击伤害和经济损失。

2、金属薄壁吸能结构是一种常见的防护结构，其大多由传统金属薄壁圆管及其衍生结构制作而成。在传统薄壁吸能结构中，波纹薄壁管结构具有诱导变形、变形稳定、结构轻便等优点，能够有效通过金属自身的塑性变形来耗散冲击碰撞中所产生的动能，因而被广泛地应用于船舶、汽车、高铁、飞机等交通工具的碰撞能量耗散结构中。但传统的波纹管存在着对冲击抵抗性能差，吸收能量不高的问题。因此，为了进一步提高薄壁结构的吸能特性，通过结构优化设计及其与其他材料结构复合的方式来提高性能。

3、仿生结构主要是以自然界生物结构为原型，将生物结构特征引入到薄壁吸能结构中，进而设计出具有更加优异耐撞性能的薄壁结构。随着仿生工程技术的发展，现已通过多种生物设计了仿生薄壁吸能结构，如仿牛角结构、仿虾螯结构、仿竹结构、仿马尾草结构、仿荷叶叶脉结构等等。蒲草长细比高，复杂的内部纤维肋板结构能够有效的承受重力，风等环境外部载荷，特别是抗冲击耐撞性能尤为突出。蒲草横截面类似于月牙形，内部含有大量空隙，由多层纤维肋板规律排列组成。因此可以借鉴蒲草的优良性能，设计一种仿生结构，以提升薄壁结构的耐撞性能。

4、现有的技术方案(cn114962511a)中提出剪切增稠液的双管薄壁吸能结构，其中波纹管在受到冲击时，波纹处的弯矩及应力会更大，使得波纹管在受到冲击时可引导结构发生变形；窗格管沿窗口一周的区域由于开窗的缘故刚度较小，同样会引导结构在窗口处发生变形；但是其在吸能阶段的平台较短且不够稳定；初始峰值力随有所下降，但是仍较大，而力具有传递性，被保护结构存在率先变形损坏的风险；且该方案中结构的总吸能有待提高。

5、因此，亟待解决上述问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种有效提高承载能力和缓冲吸能特性的仿蒲草缓冲吸能薄壁复合结构。

2、技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种仿蒲草缓冲吸能薄壁复合结构，包括由若干个仿蒲草月牙结构对称组合而成的仿生结构，仿蒲草月牙结构包括外弧板、内弧板、用于连接外弧板和内弧板侧边的连接平板以及均布于外弧板和内弧板之间的若干个肋板。

3、其中，外弧板的外弧面具有的参数方程特性，r1为外弧的半径决定仿蒲草月牙结构的半径，θ1为外弧角度决定仿蒲草月牙结构的最外侧弧长。

4、优选的，内弧板的内弧面具有的参数方程特性，a决定内弧板的圆心位置，r2为内弧板的半径，a和r2共同决定仿蒲草月牙结构最内侧与最外侧的距离，θ2为内弧角度决定仿蒲草月牙结构的最内侧弧长。

5、再者，还包括同轴设套设于仿生结构外侧的渐变波纹锥形管、用于密封渐变波纹锥形管和仿生结构上端的上封盖以及用于密封密封渐变波纹锥形管和仿生结构下端的下封盖。

6、进一步，渐变波纹锥形管的三角函数曲线为：r0为渐变波纹锥形管大口处的半径，k为渐变波纹锥形管的锥形斜率，a为渐变波纹锥形管的幅值，l2为渐变波纹锥形管的长度，n为渐变波纹锥形管的波纹数目。

7、优选的，渐变波纹锥形管与仿生结构之间的空腔内填充剪切增稠液或剪切增稠凝胶。

8、再者，仿生结构内的空腔内填充有剪切增稠液或剪切增稠凝胶。

9、进一步，肋板为竖直肋板、倾斜肋板或者弧形肋板。

10、优选的，肋板上开设有间隔布置的若干个窗口。

11、再者，外弧板或内弧板上开设有间隔布置的若干个窗口。

12、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

13、(1)本发明的仿生结构是由仿蒲草月牙结构组合而成，而仿蒲草月牙结构是从蒲草内部特征衍生设计，整个仿生结构包含中空管状形态、月牙状形态，这些多级形态能够有效的促进仿生结构在受轴向冲击时将冲击能分散到不同的结构层次中，从而缓冲作用在结构表面的冲击力；在轴向冲击过程中，仿蒲草月牙结构的外侧受力大于内侧受力，使结构受力不均匀易出现失稳，导致结构变形不充分；因此本发明中采用两个仿蒲草月牙结构对称组成仿生结构，从而有效的防止结构失稳，促进变形完全，提高结构的抗冲击性能。同时，结构内部设置的开窗肋板可以增加结构强度并引导结构的有序变形，促进结构变形充分；另外，开窗部位的应力大于未开窗部位的应力，使得局部结构率先形变，从而碰撞时结构的初始峰值力较低；因此整个仿生结构能够有效提高缓冲吸能特性，并保证其具有较低的初始峰值力和更高的总吸能。

14、(2)本发明中的渐变波纹锥形管是一种特殊波纹管，与传统波纹管相比，渐变波纹锥形管的波纹呈锥形排列，其形状和深度随着长度的变化而逐渐改变，从而使得其柔性和弹性性能也发生改变；当渐变波纹锥形管受到轴向冲击时，缓冲吸能分为两部分，一部分为波纹发生弹性变形，将部分冲击能量转化为弹性势能，从而缓冲吸收冲击力；另一部分为波纹发生塑性变形，从而大量吸收冲击能量。渐变波纹锥形管的结构呈锥形，可等效视为：内部由多个波纹形状的圆筒结构逐层叠加构成，圆筒之间通过渐变的角度和半径连接起来；由于渐变波纹锥形管呈锥形，在受冲击载荷发生塑性变形，形成塑性铰，塑性铰通过拉伸、转动使得结构发生不可逆转的变形，从而吸收大量的冲击能量；同时，由于渐变波纹锥形管通过改变波纹的形状和深度，实现应力的均匀分布和能量的逐级消散。在轴向冲击过程中，因渐变波纹锥形管的波纹是从深波到浅波渐变变化，所以每层波纹引导结构塑性变形的程度不同，进而整个吸能过程呈现持久缓慢的逐级台阶式上升；这样的吸能特征实现了逐层分散冲击力的效果，从而有效吸收、缓冲冲击能量，减少待保护物受到冲击的影响。

15、(3)本发明将渐变波纹锥形管设置为外管，仿生结构设置为内管，两个结构竖直同轴放置组成仿生复合结构，当仿生复合结构在受冲击时，仿生结构的对称月牙形与内置开窗肋板的特点使得其具有一定的刚度，而渐进锥形波纹管由于其呈锥形状，内部半径和角度随着深度逐渐变化导致整个吸能特性也是渐进式的；而仿生结构和渐变波纹锥形管结合设计的仿生复合结构在受轴向冲击时，外管的波纹自上而下从深波到浅波一层一层叠缩变形，变形整齐光滑；内置内管失稳现象相较于单独的仿生结构有明显改善，整个结构轴向变形稳定充分，吸能平台稳定；从而体现仿生复合结构具有低初始峰值力和高吸能特征，在实际应用中，可以高效降低被保护结构和人员的伤害。

16、(4)本发明在仿生复合结构的内管中填充剪切增稠液；剪切增稠液的粘度随剪切速率的变化而变化，当剪切速率达到一定范围，剪切增稠液出现“剪切增稠”现象，具有“遇强则强”特点；当填充剪切增稠液的仿生复合结构受到冲击时，能够吸收大量能量，一部分能量为结构本身塑性变形所消耗的能量，另一部分为剪切增稠液因剪切增稠形态从“液态”转变为“固态”所吸收的能量，以及剪切增稠的剪切增稠液可以诱导结构未完全变形部位二次变形，从而进一步提高整个结构的总吸能。