CN110497656A - 一种芯体胞元结构、多孔结构芯体及三明治吸能结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯体胞元结构，包括外层和内层，外层和内层均为三周期极小曲面，外层与内层之间形成空腔，空腔内设有连接外层与内层的连接板；外层和内层上均设有向空腔外延伸的相对设置的上开口和下开口，外层和内层的周侧设置有多个向空腔外延伸的侧开口。本发明还公开了一种多孔结构芯体，包括如上所述的芯体胞元结构，相邻芯体胞元结构之间通过对应的开口对接，多个芯体胞元结构中外层和内层均形成连续的曲面。本发明还公开了一种三明治吸能结构，包括第一夹层、第二夹层和如上所述的多孔结构芯体，多孔结构芯体夹设于第一夹层和第二夹层之间。本发明的芯体胞元结构、多孔结构芯体和三明治吸能结构均具有结构简单、吸能效率高等优点。
Description
技术领域
本发明主要涉及芯体技术领域，特指一种芯体胞元结构、多孔结构芯体及三明治吸能结构。
背景技术
自然界一直是人类获取发明创造的灵感源泉，生物体所具有的独特外形、内部微观结构及优化原理等特性，为工程技术研发人员提供新的设计思路和仿生理论参考。多孔材料广泛存在于自然界中，如木材、蜂窝(如图1所示)、动物骨骼和海绵等。仿照该类生物结构设计的一些性能优异的结构，如蜂窝铝三明治结构等，其相对密度小，比强度和比刚度大，吸能效率高，抗冲击性好，减震缓冲、隔热隔音等性能优异，是理想的轻质结构材料，一直都受到学术界和工程界的重视，特别是在航空航天飞行器、高速列车、汽车以及高速舰船等高科技领域已经得到广泛应用。
目前国内外常见的三明治结构，如传统的六边形蜂窝三明治结构、专利申请号为CN103559343A的类蜂窝三明治结构、专利申请号为CN202742715U中的三明治防弹夹层板结构等，这些三明治结构主要由金属或者复合材料夹层和高孔隙率金属芯体组合而成，其中内部的芯体对三明治结构性能影响最大。
随着科技的发展，汽车、航天、航海等高科技领域对结构的轻量化和高性能要求越来越高，目前上述国内外常见的三明治结构在高速碰撞情况下，抵抗冲击、减震缓冲、能量吸收存在明显不足。因此，开发一种质量轻，吸能效果更好，抗冲击能力更强，力学性能更优异的三明治夹芯结构已经成为目前各个领域中较为迫切的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、吸能效率高的芯体胞元结构、多孔结构芯体及三明治吸能结构。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种芯体胞元结构，包括外层和内层，所述外层和内层均为三周期极小曲面，所述外层与内层之间形成空腔，所述空腔内设有连接外层与内层的连接板；所述外层和内层上均设有向空腔外延伸的上开口和下开口，所述上开口与下开口相对设置，所述外层和内层的周侧设置有多个向空腔外延伸的侧开口。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述外层和内层均为三周期极小曲面中的P型薄片曲面，对应的隐函数为：Φp(r)＝-[cos(X)+cos(Y)+cos(Z)]＝C，其中X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，C＝0，其中x、y、z是P型薄片曲面各点在坐标系中的坐标。
所述内层与外层之间呈一定的缩放比例v。
所述侧开口的数量为四个，均匀分布在外层和内层的周侧。
本发明还公开了一种多孔结构芯体，包括如上所述的芯体胞元结构，相邻芯体胞元结构之间通过对应的开口对接，多个芯体胞元结构中外层和内层均形成连续的曲面。
本发明进一步公开了一种三明治吸能结构，包括第一夹层、第二夹层和上所述的多孔结构芯体，所述多孔结构芯体夹设于所述第一夹层和第二夹层之间。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述多孔结构芯体粘贴于所述第一夹层和第二夹层之间。
所述第一夹层和第二夹层为平面板或曲面板或管材。
所述第一夹层和第二夹层上设置有减重孔。
所述第一夹层和第二夹层为金属铝或铝合金或不锈钢或铜或镀锌铁板制成的夹层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的芯体胞元结构，结构简单、较低的质量就可获得较高的强度和抗冲击等力学性能，另外此三周期极小曲面的P型薄片曲面还具备光滑连续的孔隙结构，且该种孔隙结构易于控制，便于获取特定工况下的最佳孔隙度。
本发明的多孔结构芯体，质量轻、比强度高、吸能效率高、保温性好、隔热性能好、隔音性能较好、综合性能较强；与传统蜂窝结构相比，在力学性能，机械强度，吸能效率，抗冲击性等各种性能上有明显提高，在工程应用领域中与传统蜂窝结构相比具有巨大的优势。
本发明的三明治吸能结构，采用多孔结构芯体、吸能效率高；保温性、隔热性能、隔音性能更好，满足了航天、航海等高科技行业的需求。
附图说明
图1为传统铝蜂窝结构图。
图2为本发明中芯体胞元结构的结构示意图。
图3为本发明中芯体胞元结构的部分剖视结构图。
图4为本发明中吸能结构在实施例一中的结构示意图。
图5为本发明中吸能结构在实施例二中的结构示意图。
图6为本发明中吸能结构在实施例三中的结构示意图。
图7为图6的局部视图。
图8为三种构型压缩后得到的力位移曲线对比图。
图中标号表示：1、第一夹层；2、第二夹层；3、多孔结构芯体；31、芯体胞元结构；311、外层；312、内层；313、连接板；314、上开口；315、下开口；316、侧开口；4、减重孔。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：
如图2和图3所示，本实施例的芯体胞元结构，包括外层311和内层312，外层311和内层312均为三周期极小曲面(三周期极小曲面为向三维空间延伸的平均曲率为零的曲面，简称TPMS，其中三周期指的是向周边空间延伸的维度)，外层311与内层312之间形成空腔，空腔内设有连接外层311与内层312的连接板313(如肋板，起连接及支撑作用)；外层311和内层312上均设有向空腔外延伸的上开口314和下开口315，上开口314与下开口315相对设置，外层311和内层312的周侧设置有四个向空腔外延伸的侧开口316，四个侧开口316均匀分布在外层311和内层312的周侧。如图2和图3所示，两个侧开口316沿X轴方向布置，两个侧开口316沿Y轴方向布置，上开口314和下开口315沿Z轴方向布置，当然，在其它实施例中，在一个方向的一端(如上开口314处)设置多个并列的开口。另外，外层311和内层312均为三周期极小曲面中的P型薄片曲面，对应的隐函数为：Φp(r)＝-[cos(X)+cos(Y)+cos(Z)]＝C，其中X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，C＝0，其中x、y、z是P型薄片曲面各点在坐标系中的坐标，c为常量。其中P型薄片曲面是三周期极小曲面的一种，在三维空间的三个方向上均具备周期性并可无限扩展的极小曲面。采用上述符合隐函数表达式的xyz数值组合形成的P型薄片曲面，重量轻、且具有较高的强度和抗冲击等力学性能，另外此P型薄片曲面还具备光滑连续的孔隙结构(即空腔)，且该种孔隙结构易于控制，便于获取特定工况下的最佳孔隙度。
本发明还公开了一种多孔结构芯体，包括多个如上所述的芯体胞元结构31，相邻芯体胞元结构31之间通过对应的开口对接，多个芯体胞元结构31中外层311和内层312均形成连续的曲面。即将芯体胞元结构31沿X、Y、Z三个方向无限复制即可得到层级多孔芯体结构。采用上述多孔结构芯体3、质量轻、比强度高、吸能效率高、保温性好、隔热性能好、隔音性能较好、综合性能较强；与传统蜂窝结构相比，在力学性能，机械强度，吸能效率，抗冲击性等各种性能上有明显提高，在工程应用领域中与传统蜂窝结构相比具有巨大的优势。
如图4所示，本发明进一步公开了一种三明治吸能结构，包括第一夹层1、第二夹层2和如上所述的多孔结构芯体3，多孔结构芯体3夹设于第一夹层1和第二夹层2之间。具体地，多孔结构芯体3粘贴于第一夹层1和第二夹层2之间。其中第一夹层1和第二夹层2均为平面板，如图4所示，便于应用于建筑领域房屋天花板等。当然，在其它领域应用时，为了减少其自身重量，可以在第一夹层1和第二夹层2上开设减重孔4。其中第一夹层1和第二夹层2为金属铝或铝合金或不锈钢或铜或镀锌铁板制成的夹层，可根据应用场景的具体需求进行选择。
图8是对传统的铝蜂窝结构(如图1所示)、铝泡沫、双层曲面多孔结构(本发明中的三明治吸能结构)压缩后得到的轴向压缩力-位移曲线，图中横坐标为位移，单位为mm，纵坐标为轴向压缩力，单位为kN。轴向压缩力-位移曲线通过有限元软件LS-DYNA进行仿真计算得到。设计双层曲面多孔结构的仿真实验，胞元长度都为3.5mm，材料选择均为镁铝合金材料；传统蜂窝铝结构如图1所示，边长D为15mm，倾角θ为30°，材料为铝；传统材料铝泡沫，密度为0.35kg/m3。三种构型的高度均为70mm，压溃速度为15m/s，实验结果如下：
对比铝泡沫、铝蜂窝和双层曲面多孔结构，在相同质量的情况下，受到相同的速度碰撞，压溃相同距离之后，双层曲面多孔结构比铝泡沫的比吸能提高了59.13％，双层曲面多孔结构比传统蜂窝结构的比吸能提高了95.57％。综合来看，双层曲面多孔结构与传统材料(如铝泡沫和铝蜂窝)相比，吸能效果有显著提高，表明双层曲面多孔结构芯体夹层板比由传统吸能材料组成的芯体夹层板具有更好的吸能特性。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别仅在于第一夹层1和第二夹层2的具体形状，如图5所示，在本实施例中，第一夹层1和第二夹层2均采用曲面板，便于适用于汽车、航天等领域。当然，在整体结构满足吸能性能时，通过增加减重孔4和减小各夹层厚度，有效减轻整体结构重量。其它未述内容与实施例一相同，在此不再赘述。
实施例三：
本实施例与实施例一的区别仅在于第一夹层1和第二夹层2的具体形状，如图6和图7所示，在本实施例中，第一夹层1和第二夹层2均采用圆管，多孔结构芯体3粘贴于外管与内管之间。其它未述内容与实施例一相同，在此不再赘述。
综上所述，本发明的多孔结构芯体(即双层曲面多孔结构)使得三明治平面板、三明治曲面板和三明治管材等三明治结构的吸能效率更高，保温性，隔热性能，隔音性能更好，多功能综合性质更强，可满足航天、航海等高科技行业的需求。当然，此类多孔结构芯体3不仅可以应用于三明治板材和三明治管材中，亦可应用于各类管中作为填充物。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种芯体胞元结构，其特征在于，包括外层(311)和内层(312)，所述外层(311)和内层(312)均为三周期极小曲面，所述外层(311)与内层(312)之间形成空腔，所述空腔内设有连接外层(311)与内层(312)的连接板(313)；所述外层(311)和内层(312)上均设有向空腔外延伸的上开口(314)和下开口(315)，所述上开口(314)与下开口(315)相对设置，所述外层(311)和内层(312)的周侧设置有多个向空腔外延伸的侧开口(316)。
2.根据权利要求1所述的芯体胞元结构，其特征在于，所述外层(311)和内层(312)均为三周期极小曲面中的P型薄片曲面，对应的隐函数为：
Φp(r)＝-[cos(X)+cos(Y)+cos(Z)]＝C，其中X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，C＝0，其中x、y、z是P型薄片曲面各点在坐标系中的坐标。
3.根据权利要求1或2所述的芯体胞元结构，其特征在于，所述内层(312)与外层(311)之间呈一定的缩放比例v。
4.根据权利要求1或2所述的芯体胞元结构，其特征在于，所述侧开口(316)的数量为四个，均匀分布在外层(311)和内层(312)的周侧。
5.一种多孔结构芯体，其特征在于，包括多个如权利要求1至4中任意一项所述的芯体胞元结构(31)，相邻芯体胞元结构(31)之间通过对应的开口对接，多个芯体胞元结构(31)中外层(311)和内层(312)均形成连续的曲面。
6.一种三明治吸能结构，其特征在于，包括第一夹层(1)、第二夹层(2)和如权利要求5所述的多孔结构芯体(3)，所述多孔结构芯体(3)夹设于所述第一夹层(1)和第二夹层(2)之间。
7.根据权利要求6所述的三明治吸能结构，其特征在于，所述多孔结构芯体(3)粘贴于所述第一夹层(1)和第二夹层(2)之间。
8.根据权利要求6或7所述的三明治吸能结构，其特征在于，所述第一夹层(1)和第二夹层(2)为平面板或曲面板或管材。
9.根据权利要求8所述的三明治吸能结构，其特征在于，所述第一夹层(1)和第二夹层(2)上设置有减重孔(4)。
10.根据权利要求6或7所述的三明治吸能结构，其特征在于，所述第一夹层(1)和第二夹层(2)为金属铝或铝合金或不锈钢或铜或镀锌铁板制成的夹层。
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