一种突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构

本发明涉及一种突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，属于力学多稳态超材料。

背景技术：

1、能量吸收结构和材料被广泛用于保护人类和物体免受冲击或碰撞，例如航天器着陆缓冲装置、汽车保险杠、防弹玻璃、头盔和易碎物品的包装等，大量关于提高材料和结构能量吸收特性的方法已经被提出。以往的研究主要集中在金属材料的塑性大变形吸能，以及复合材料或陶瓷碎裂时的断裂能量吸收。但这两种吸能方式均对材料本身要求较高，导致应用范围有限，而且这两种材料在撞击过程中会发生不可逆变形或永久损坏，不经济且不环保。

2、在动力系统中，多稳态是一种状态属性，即由该系统的状态所形成的向量空间中存在多个稳定平衡点，在稳定平衡点之间也必然存在一些过渡的不稳定平衡点。多稳态力学超材料是一种具有特殊力学性质和稳定性的新型人工材料，能够通过一种微结构提供几种不同稳定构型。针对航空航天、交通运输和建筑工程等领域对构件轻量化、耐冲击、减震吸能的要求，利用多稳态相变结构的可重复弹性吸能特性设计可重复使用的缓冲吸能结构，开发具有高力学性能的轻型超材料将为未来的航天器着陆缓冲、工程结构抗震、船舶桥梁的防撞吸能等领域提供更为经济、便捷、安全的保障。其中，双曲梁元件可以被构建成具有许多可编程稳定结构的机械超材料。

3、公开号为cn115596799a的专利申请中公开了“一种具有可调力学性能的模块化多稳态超材料结构”，其包括可调力学性能的单胞、水平长连接杆、竖直短连接杆，根据需要可组装成模块化多稳态超材料，从而实现隔振和降噪。该结构中，主要通过调节单胞结构的数量、改变弯曲梁单胞的几何形状，从而调整多稳态超材料的力学行为。然而，一旦带有凹槽的曲梁单胞结构被制作完成，其装配方向也就随之固定，即只能沿x和y方向进行阵列，并未对其面外z方向的阵列做出设计。此外，该结构主要用于隔振的曲梁部分占整体结构的比例很小，这就意味着结构的附加支撑部分很多，导致结构整体重量过大。

4、公开号为cn216241989u的专利申请中，公开了“一种多级跳变屈曲吸能结构”，其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。该结构本质上是利用倾斜梁结构的突弹跳变行为实现多层、网格螺旋锥状结构的能量吸收，但该结构的力位移曲线表明这种变形只是单稳态的，也就意味着外力一旦撤掉，结构会自动恢复至初始状态。这种可自动恢复的反向位移可能会对结构本身产生一定的冲击，这对易碎物体而言是非常致命的。此外，这种螺旋锥状结构在制造和装配时存在一定困难，对制造条件和设备的精度要求较高，对安装孔的形状要求也较高。

5、需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术所存在的问题，提供了一种突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，具有多稳态、多吸能平台、多步变形能力，具有更高的强度和稳定性、更高的效率和重量优化以及更大的制造和安装便利性。

2、本发明通过采取以下技术方案实现上述目的：

3、一种突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，包括m层多稳态结构单元，各层多稳态结构单元分别由相同数量的n个双曲梁单胞依次首尾连接围合形成管状结构，各层多稳态结构单元沿管状结构的轴线依次层叠连接；其中，n≥3；

4、所述双曲梁单胞包括双曲梁、中间连接杆和两根侧杆，所述双曲梁跨设在两根侧杆之间并且双曲梁的两端分别与两根侧杆的上部连接，所述中间连接杆将所述双曲梁的中点进行连接并且延伸越过双曲梁的顶部。

5、在其中一实施方式中，同层多稳态结构单元中，相邻双曲梁单胞共用侧杆或者相邻双曲梁单胞的侧杆固定连接；不同层多稳态结构单元中，相邻双曲梁单胞的中间连接杆及侧杆分别固定连接。

6、在另一实施方式中，所述双曲梁单胞还包括上横杆和下横杆，上横杆的中部与中间连接杆的顶部连接，下横杆的两端分别与两根侧杆的下部连接；

7、同层多稳态结构单元中，各双曲梁单胞的上横杆、下横杆分别依次首尾连接；不同层多稳态结构单元中，相邻双曲梁单胞共用对应的上横杆和下横杆或者相邻双曲梁单胞的上横杆和下横杆固定连接。

8、进一步地，所述双曲梁单胞中，侧杆及下横杆的刚度大于双曲梁、中间连接杆及上横杆的刚度。

9、进一步地，所述双曲梁的跨高为h，随着h的增加，所述突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构的有效压溃距离变长。

10、进一步地，所述双曲梁为正弦曲梁或梯形双曲梁，或者是由多个曲线串联形成的波纹弯曲形式的双曲梁。通常来讲，任何具有双稳态特性的双曲梁均可作为本发明中的双曲梁单胞。

11、本申请的有益效果包括但不限于：

12、本发明提供的突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，是基于双曲梁单胞的突弹跳变特性设计得到的具有三维管状几何形状的分层超材料，是具有多稳态、多吸能平台、多步变形能力的机械超材料，具体具有以下优点：

13、(1)该多稳态超材料可重复吸能结构，可以在大变形和小变形弹性范围内实现从正到负的刚度变化，具有多稳态、可编程、可重复使用的特性。

14、(2)该多稳态超材料可重复吸能结构，可以与塑性大变形金属元件相结合来实现不同载荷作用下弹塑性结构的能量吸收，为目前能量吸收器件的开发起到一定的补充作用。

15、(3)该多稳态超材料可重复吸能结构，在弹性限度内可以被多次重复利用，提高了材料的利用率，降低了工程成本。

16、进一步地，相比于将单胞进行其他方式的阵列排布，本发明提供的多稳态超材料可重复吸能结构中，所形成的管状结构的管壁可以有效地分散和承担应力，具有较高的强度和稳定性，因此能够有效承受外部载荷和保持形状，使得整个结构更加稳定；其次，管状结构的管壁可以在提供强度的同时最小化材料的使用量，具有较高的体积效率，可以减少材料的浪费，从而实现重量优化；再次，管状结构的几何形状简单，易于制造，安装和拆卸过程相对简单，易于维护和修复。因此，本发明提供的多稳态超材料可重复吸能结构中，管状结构具有更高的强度和稳定性、更高的效率和重量优化以及更大的制造和安装便利性，在各领域具备广泛的应用潜力。

技术特征：

1.一种突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，其特征在于，包括m层多稳态结构单元，各层多稳态结构单元分别由相同数量的n个双曲梁单胞依次首尾连接围合形成管状结构，各层多稳态结构单元沿管状结构的轴线依次层叠连接；

2.根据权利要求1所述的突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，其特征在于，n≥3。

3.根据权利要求1所述的突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，其特征在于，同层多稳态结构单元中，相邻双曲梁单胞共用侧杆或者相邻双曲梁单胞的侧杆固定连接；不同层多稳态结构单元中，相邻双曲梁单胞的中间连接杆及侧杆分别固定连接。

4.根据权利要求1所述的突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，其特征在于，所述双曲梁单胞还包括上横杆和下横杆，上横杆的中部与中间连接杆的顶部连接，下横杆的两端分别与两根侧杆的下部连接；

5.根据权利要求4所述的突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，其特征在于，所述双曲梁单胞中，侧杆及下横杆的刚度大于双曲梁、中间连接杆及上横杆的刚度。

6.根据权利要求1所述的突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，其特征在于，所述双曲梁的跨高为h，随着h的增加，所述突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构的有效压溃距离变长。

7.根据权利要求1所述的突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，其特征在于，所述双曲梁为正弦曲梁或梯形双曲梁。

技术总结
本发明公开了一种突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，属于力学多稳态超材料技术领域，其包括m层多稳态结构单元，各层多稳态结构单元分别由相同数量的n个双曲梁单胞依次首尾连接围合形成管状结构，各层多稳态结构单元沿管状结构的轴线依次层叠连接；双曲梁单胞包括双曲梁、中间连接杆和两根侧杆。本发明提供的突弹跳变层级双曲梁多稳态超材料可重复吸能结构，是基于双曲梁单胞的突弹跳变特性设计得到的具有三维管状几何形状的分层超材料，具有多稳态、多吸能平台、多步变形能力，具有更高的强度和稳定性、更高的效率和重量优化以及更大的制造和安装便利性。

技术研发人员：侯秀慧,靳明珠,赵文皓,邓子辰
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15