一种基于空心粒子胞元的点阵复合结构

本发明涉及一种基于空心粒子胞元的点阵复合结构，属于缓冲。

背景技术：

1、核电站投入使用后，会产生放射性废物，从核电站反应堆堆芯中替换出来“燃烧”后的燃料棒称为核乏燃料棒。乏燃料运输容器是专用于管理、运输乏燃料棒的容器。在运输过程中和事故工况下保证乏燃料运输容器结构完整性的重要组件，为安装在运输容器两端的缓冲器，其主要作用为吸收能量和限制过载。

2、缓冲器中起到主要缓冲作用的为填充材料。传统的填充材料为木材、泡沫铝、聚氨酯泡沫等材料，由于木材是各向异性的非均质材料，各部分的性能表现存在一定的差异；泡沫铝的结构较复杂，其性能受孔隙率、孔径大小、孔洞特征、胞孔类型等因素影响较大；聚氨酯泡沫易受高温、紫外线等因素的影响而变质、老化，对使用寿命具有一定影响。

3、为此，有学者研究了蜂窝铝作为缓冲器填充材料的实验，评估了蜂窝铝静态和动态的冲击特性，并应用测得的材料性能预测了在事故工况下缓冲器所能提供的缓冲吸能效果，证明了若合理设置蜂窝铝在缓冲器中的位置，该材料可用作运输容器缓冲器填充材料。然而，蜂窝铝结构作为连续体点阵结构，主要依靠弹塑性变形吸收能量，吸能能力有限，且受冲击方向限制，不能同时满足乏燃料运输容器在三种跌落姿态下的缓冲性能要求。

4、点阵结构作为一种周期性有序结构，虽然具有极强的可设计性，可根据要求选择不同的拓扑构型以及改变微结构孔隙的大小，由于较高的孔隙率和有效表面积，其能量耗散率较高，发展具有高释能功能的点阵结构是国内外相关装备发展中需要突破的核心瓶颈问题之一。但是，传统的点阵结构主要依靠弹塑性变形和摩擦发热来吸收冲击能量，即弹塑性能量衰减。即便是通过内部填充泡沫铝等材料，由于均为连续体介质，依然脱离不了弹塑性衰减形式，因此，传统的连续体结构耗能特性有限。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种基于空心粒子胞元的点阵复合结构，采用点阵结构-不连续粒子介质的点阵复合结构，构建综合能量耗散叠加机制，可显著提高点阵结构的抗冲击特性。

2、为实现上述发明目的之一，本发明的基于空心粒子胞元的点阵复合结构的技术方案如下：

3、基于空心粒子胞元的点阵复合结构，包括点阵结构本体，所述点阵结构本体包括多个规则或非规则排列的单元体，每个单元体内设有空腔，每一空腔内部填充有多个空心粒子。

4、进一步的，所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体轴向方向排列设置。

5、进一步的，所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体径向方向排列设置。

6、进一步的，所述每一空腔内设有一个或多个阻尼包袋，每一阻尼包袋内填充有多个空心粒子。

7、更进一步的，每一阻尼包袋填充满空心粒子或填充90％～95％空间范围的空心粒子。

8、更进一步的，所述阻尼包袋为金属丝网，所述金属丝网网孔为xx200-600目。金属丝网阻尼包袋在该缓冲器中起到主要吸能作用，在运输容器跌落过程中，粒子阻尼包袋通过变形，使得包袋内部的粒子阻尼之间相互的挤压碰撞以及惯性衰减，从而消耗大量的冲击能量，以更加有效的保护的运输容器。

9、更进一步的，所述金属丝网封闭式包裹住多个空心粒子。所述金属丝网封闭式包裹是通过焊接方式封口实现封闭式包裹。

10、更进一步的，所述阻尼包袋为塑料薄膜。

11、进一步的，所述空心粒子为金属空心粒子、高分子材料空心粒子，内径范围为1-50㎜，外径范围为1.1-50.1㎜。

12、进一步的，所述点阵结构本体为蜂窝铝点阵结构。蜂窝铝在该缓冲器中起到静态支撑和吸能作用，在缓冲器静载平放状态下，通过蜂窝铝点阵结构作为主要的支撑，防止缓冲器由于受自身重力影响而变形。同时，在运输容器跌落时，内部的蜂窝铝点阵结构通过自身的变形来吸收部分冲击能量，从而更好的保护运输容器。

13、更进一步的，所述蜂窝铝点阵结构为六边形点阵、四边形点阵、kagome点阵、全三角点阵、菱形点阵、混合型点阵、正方静不定点阵或新型kagome点阵。

14、更进一步的，所述蜂窝铝点阵结构为编制叠层夹芯结构、三维全三角点阵结构、八面体结构、四面体和四棱锥点阵夹芯结构、三维kagome结构。

15、进一步的，所述点阵结构本体还包括不锈钢外壳，所述不锈钢外壳以包裹方式设置在单元体及其空心粒子外部。所述不锈钢外壳厚度为5-8mm，主要起到包裹作用，包裹住蜂窝铝和粒子阻尼包袋，同时在跌落时可以通过变形，吸收部分能量。但不锈钢外壳刚度不能太大，否则刚性太强，无法通过变形来吸收能量。

16、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

17、本发明通过采用蜂窝点阵结构加粒子复合结构形成一种基于空心粒子胞元的点阵复合结构，在蜂窝点阵结构的空腔中装入阻尼粒子形成一种新型缓冲结构，粒子与粒子之间、粒子与内腔之间通过弹塑性能量衰减、碰撞时的阻尼耗散以及惯性能量衰减来消耗能量，从而实现降冲击的功能，可以广泛运用于示范快堆乏燃料运输容器缓冲器中。通过惯性能量衰减+阻尼能量耗散+弹塑性能量衰减的综合能量耗散叠加机制，增加缓冲器的能量耗散，提升缓冲器的抗冲击性能，在满足相同抗冲击性能条件下，点阵复合结构制作的缓冲器重量更轻。

18、本发明中的蜂窝点阵结构主要依靠受冲击时的弹塑性变形和摩擦发热来吸收冲击能量，即弹塑性能量衰减。粒子系统作为不连续阻尼介质，通过结构内部空腔中的粒子-粒子、粒子-容器间的摩擦和非弹性碰撞作用提供阻尼耗散效应，即阻尼能量耗散，从而达到衰减结构体振动和冲击能量的目的。同时，粒子介质被称为固体、液体和气体以外的第四种物质聚集形态，不连续的粒子介质在瞬态冲击环境下形成集中质量效应，产生与惯性加速度方向相反的运动，反方向惯性力抵消部分动能，具有反向惯性力作用的衰减机制，即惯性能量衰减。

技术特征：

1.一种基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，包括：点阵结构本体，所述点阵结构本体包括多个规则或非规则排列的单元体，每个单元体内设有空腔，每一空腔内部填充有多个空心粒子。

2.根据权利要求1所述的基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体轴向方向排列设置。

3.根据权利要求1所述的基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体径向方向排列设置。

4.根据权利要求1所述的基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，所述每一空腔内设有一个或多个阻尼包袋，每一阻尼包袋内填充有多个空心粒子，所述多个空心粒子的平均内径范围为0.1-100㎜，所述多个空心粒子的平均厚度为0.1-10mm。

5.根据权利要求4所述的基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，每一阻尼包袋填充满空心粒子。

6.根据权利要求5所述的基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，所述阻尼包袋为金属丝网，所述金属丝网网孔为200-600目。

7.根据权利要求6所述的基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，所述金属丝网封闭式包裹住多个空心粒子。

8.根据权利要求5所述的基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，所述阻尼包袋为塑料薄膜。

9.根据权利要求1所述的基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，所述点阵结构本体为蜂窝铝点阵结构。

10.根据权利要求1所述的基于空心粒子胞元的点阵复合结构，其特征在于，所述点阵结构本体还包括不锈钢外壳，所述不锈钢外壳以包裹方式设置在单元体及其空心粒子外部。

技术总结
本发明公开了一种基于空心粒子胞元的点阵复合结构，属于缓冲技术领域，包括多个规则或非规则排列的单元体，每个单元体内设有空腔，每一空腔内部填充有多个空心粒子。所述点阵结构本体的多个单元体是沿着点阵结构本体轴向或纵向方向排列设置。本发明通过采用蜂窝点阵结构加粒子复合结构形成一种基于粒子胞元的点阵复合结构，在蜂窝点阵结构的空腔中装入阻尼粒子形成一种新型缓冲结构，通过碰撞时粒子与粒子之间、粒子与内腔之间的弹塑性能量衰减、阻尼耗散以及惯性能量衰减来消耗能量，从而实现降冲击的功能，可以广泛运用于示范快堆乏燃料运输容器缓冲器中，具有良好的抗冲击性能。

技术研发人员：肖望强,饶玉斌,蔡志钦
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8