一种波纹吸能结构

技术领域

本发明涉及吸能领域，具体是指一种波纹吸能结构。

背景技术

近年来，随着交通运输产业的快速发展，城市网络、物流网络的密集程度以及输送速度正在快速提高。这给人员及物品的安全性问题带来了巨大挑战，面对复杂且高速的条件下，防护结构需要足够的缓冲性以及能量吸收性能来达到保护乘员以及物品的安全性。然而，当前结构往往是具有高缓冲能力及低的初始刚度却在能量吸收上不够理想，或者是具能够在碰撞中吸收夺得能量却具有高的刚度导致碰撞瞬间产生大的过载，鲜有防护结构能够兼顾两者的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波纹吸能结构，实现在碰撞过程使吸能结构具有高的能量吸收能力。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种波纹吸能结构，包括多个吸能柱，所述吸能柱由多片波纹单元两两之间拼接围成；所述波纹单元由两个波纹片拼接形成；两个波纹片之间间隔有角度，所述波纹片包括设置于上下两边的直线边；两条直线边之间为波纹状的曲面，所述曲面的侧视图为一曲线，所述曲线满足

其中，x方向平行于吸能盒结构方向，y方向垂直于吸能盒受力方向并且平行于曲面的切向方向；a为波纹幅度系数，b为结构周期性参数，是表征结构周期性的参数，b越小代表波纹片产生的波纹数量更多。

在一较佳的实施例中，所述波纹片具体由第一复合材料薄壁结构层、三维晶格结构层及第二复合材料薄壁结构层层叠形成。

在一较佳的实施例中，所述三维晶格结构层具体由多个三维晶格单元组成；所述三维晶格单元包括多个旋转对称设置的余弦面板。

在一较佳的实施例中，所述余弦面板包括相互平行设置的上面板、下面板以及与所述上面板垂直设置的平面板；还包括两端分别连接所述上面板及下面板的曲面板；所述曲面板的侧视图为余弦曲线。

在一较佳的实施例中，所述余弦曲线满足：

其中y

在一较佳的实施例中，第一复合材料薄壁结构层及第二复合材料薄壁结构层具体均由多个六边形单元拼接形成；所述六边形单元之间通过六边形单元的边与边相重合进行拼接。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1.折纸启发的梯度波纹结构，能够优化促使碰撞过载与结构整体的吸能水平。通过将Miura-Ori折纸方法与具有波纹特征的正弦曲线相结合，使得结构相比于传统折纸方法更具有连续性，结合了刚性折纸设计与波纹设计的优势性，从而改善结构的吸能特性。在受力方向上进行梯度化设计，以满足结构在具有较低的初始刚度(低的初始碰撞过载)的同时在压溃过程中具有更加优异的能量吸收水平。

2.结构可设计性、可编程性强，能够产生不同的结构样式，以适应不同的工况环境。本发明的整体结构大量采用了参数化设计方法，使得结构能够更好的优化以适应不同的工作环境来形成不同形状的结构。

3.三明治复合结构的层压板改善结构轻量化水平，优化结构力学性能。三明治复合结构的三层式设计方法，通过上下层的蜂窝刻来确定中间层晶格结构的位置，利用晶格结构的独特曲面形式的镂空性设计，在改善结构力学性能的形况下提升了结构整体的轻量化水平。

附图说明

图1为本发明优选实施例中波纹吸能结构的整体结构示意图；

图2为本发明优选实施例中波纹吸能结构的吸能柱结构示意图；

图3为本发明优选实施例中波纹吸能结构的波纹单元结构示意图；

图4为本发明优选实施例中波纹吸能结构的波纹片的结构示意图；

图5为本发明优选实施例中波纹吸能结构的三维晶格单元的结构示意图；

图6为本发明优选实施例中波纹吸能结构的三维晶格单元的正视示意图；

图7为本发明优选实施例中波纹吸能结构的三维晶格单元的俯视示意图；

图8为本发明优选实施例中波纹吸能结构的第一复合材料薄壁结构层结构示意图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种波纹吸能结构，参考图1至8，包括多个吸能柱1，以使得整个吸能结构在受到碰撞而压溃的过程中能够有充足的变形压溃空间，每个吸能柱1都采用相同的高度h以保证在碰撞瞬间大部分吸能柱1都能够同时产生吸能效果。所述吸能柱1由多片波纹单元11两两之间拼接围成；所述波纹单元11由两个波纹片111拼接形成；两个波纹片111之间间隔有角度，所述波纹片111包括设置于上下两边的直线边；两条直线边之间为波纹状的曲面，所述曲面的侧视图为一曲线，所述曲线满足

其中，x方向平行于吸能盒结构方向，y方向垂直于吸能盒受力方向并且平行于曲面的切向方向；a为波纹幅度系数，b为结构周期性参数，是表征结构周期性的参数，b越小代表波纹片111产生的波纹数量更多。在本实施例中，波纹单元11设置有4个。

可以从方程上看出结构波纹的幅度主要取决于x和a，因此波纹片111自初始点(原点)向上(x正方向增大)其波纹的幅度愈加剧烈，而a能够控制波纹幅度的程度，a的取值越大整个结构受x的影响越小，波纹幅度也越不显著，反之既然。针对于吸能结构，在相同的空间下(x的区间大小相同)，波纹幅度越大，波纹片111的在碰撞瞬间产生的力越小，缓冲明显，但吸能不足，而波纹幅度小能够明显的提升结构的吸能性能以及材料利用率，由此不同的a能够获得不同的缓冲及吸能能力。对于另一个参数b为结构周期性参数，是表征结构周期性的参数，b越小代表波纹片111产生的波纹数量更多。可以看到针对不同的应用条件选用不同的两个结构参数a,b可以获得不同的吸能效果。

折纸启发的梯度波纹结构，能够优化促使碰撞过载与结构整体的吸能水平。通过将Miura-Ori折纸方法与具有波纹特征的正弦曲线相结合，使得结构相比于传统折纸方法更具有连续性，结合了刚性折纸设计与波纹设计的优势性，从而改善结构的吸能特性。在受力方向上进行梯度化设计，以满足结构在具有较低的初始刚度(低的初始碰撞过载)的同时在压溃过程中具有更加优异的能量吸收水平。

结构可设计性、可编程性强，能够产生不同的结构样式，以适应不同的工况环境。本发明的整体结构大量采用了参数化设计方法，使得结构能够更好的优化以适应不同的工作环境来形成不同形状的结构。

所述波纹片111具体由第一复合材料薄壁结构层21、三维晶格结构层22及第二复合材料薄壁结构层23层叠形成。第一复合材料薄壁结构层21及第二复合材料薄壁结构层23具体均由多个六边形单元211拼接形成；所述六边形单元211之间通过六边形单元211的边与边相重合进行拼接。

所述三维晶格结构层22具体由多个三维晶格单元220组成；所述三维晶格单元220包括多个旋转对称设置的余弦面板。所述余弦面板包括相互平行设置的上面板221、下面板223以及与所述上面板221垂直设置的平面板；还包括两端分别连接所述上面板221及下面板223的曲面板222；所述曲面板222的侧视图为余弦曲线。

所述余弦曲线满足：

其中y

三明治复合结构的层压板改善结构轻量化水平，优化结构力学性能。三明治复合结构的三层式设计方法，通过上下层的蜂窝刻来确定中间层晶格结构的位置，利用晶格结构的独特曲面形式的镂空性设计，在改善结构力学性能的形况下提升了结构整体的轻量化水平。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。