一种三维曲壁同相正多边形手性蜂窝的制作方法

1.本发明涉及安全防护技术领域，更具体地，涉及一种三维曲壁同相正多边形手性蜂窝。


背景技术：

2.近年来，随着科技水平的提高和工具设备的发展，碰撞、爆炸等紧急冲击事故的突发频率和破坏能力在不断提高，对人员及财产安全造成了严重的伤害。因此，如何设计出吸能性能高效、变形模式稳定的冲击防护装置，已成为安全防护工程领域中的研究热点。
3.目前，现有的蜂窝防护消能装置各蜂窝胞元采用直壁结构，其轴向刚度较低，且变形模式并不稳定，极易出现随机屈曲、翻转等不可控现象。因此，新型的蜂窝状消能防护装置应至少满足一下要求。首先，新型吸能防护装置需要具备力-位移曲线平稳、吸能能力强和吸能效率高的功能。为了保证人员及设备的安全，吸能防护装置不但应该高效快速地耗散掉冲击能量，还应该将最大冲击力控制在一定范围内，这就要求力-位移曲线兼具较高的平均值和稳定度。其次，新型吸能防护装置需要具备稳定的变形吸能模式。一些吸能结构在轴向承载时展现出较强的吸能能力，但变形模式并不稳定，极易出现随机屈曲、翻转等不可控现象，如果能通过构型设计来引导变形过程，就可以产生更加稳定可靠的变形吸能模式。
4.因此，设计出一种吸能性能高效、变形模式稳定的冲击防护装置，是一件富有意义的工作。对于提高材料与空间利用率，快速高效应对突发事故和降低生命及财产损失有着重要的价值。


技术实现要素：

5.为解决背景技术中现有吸能防护装置不完全具备力-位移曲线平稳、吸能能力强和吸能效率高的功能，且不能达到稳定的变形吸能模式，本发明提供一种三维曲壁同相正多边形手性蜂窝。该同相正多边形手性蜂窝保持了传统直壁蜂窝结构力-位移曲线平稳的优势，在不浪费额外空间的前提下极大地提高了吸能总量和比吸能。同时，通过设置上宽下窄的消能曲壁，使消能曲壁的轴向刚度得到较大地提高，能够较大提高力-位移曲线的平均值；且消能曲壁通过几何的不对称性消除了随机性的影响，变形模式易于控制、稳定可靠，避免了直壁蜂窝消能装置变形模式并不稳定而导致的随机屈曲、翻转等不可控现象。
6.为实现上述目的，本发明的三维曲壁同相正多边形手性蜂窝的技术方案如下：
7.一种三维曲壁同相正多边形手性蜂窝，所述正多边形手性蜂窝由消能曲壁和直壁蜂窝骨架轮廓构成，所述正多边形手性蜂窝受冲击时各消能曲壁不相互抵触，所述直壁蜂窝骨架轮廓由蜂窝胞元构成，所述消能曲壁拼接于蜂窝胞元中形成三维曲壁同相正多边形手性蜂窝。
8.上述的三维曲壁同相正多边形手性蜂窝保持了传统直壁蜂窝结构力-位移曲线平稳的优势，在不浪费额外空间的前提下极大地提高了吸能总量和比吸能。不同消能曲壁通过正多边形直壁蜂窝骨架的稳定结构的形式相互连接，具有整体稳定性，保持了力-位移曲
线平缓的特点。
9.作为一种优选实施方式，所述蜂窝胞元呈手性特征。
10.作为一种优选实施方式，所述消能曲壁为上宽下窄的曲面结构。
11.设置上述上宽下窄的消能曲壁的轴向刚度得到较大地提高，能够较大提高力-位移曲线的平均值；正多边形手性蜂窝展现出更为稳定可控的变形吸能模式，即正多边形手性蜂窝采用了上宽下窄的消能曲壁，通过几何的不对称性消除了随机性的影响，变形模式易于控制、稳定可靠，避免了直壁蜂窝消能装置变形模式并不稳定而导致的随机屈曲、翻转等不可控现象。
12.作为一种优选实施方式，所述蜂窝胞元的水平截面形状包括但不仅限于正六边形和正四边形。将蜂窝胞元的水平截面形状优选为正六边形和正四边形，或者是其他几何形状，将其与上宽下窄的消能曲壁进行拼接，最终形成的三维曲壁同相正多边形手性蜂窝也能达到上述有益效果。
13.作为一种优选实施方式，所述消能曲壁在任一水平面z的截面形状为频率为w的单周期正弦波式曲线。
14.作为一种优选实施方式，所述频率为w的单周期正弦波式曲线的振幅a(z)随着水平面位置z的提高而增大。
15.作为一种优选实施方式，所述频率为w的单周期正弦波式曲线在其所处的蜂窝胞元的正方向上的曲线具有相同的初始相位；所述频率为w的单周期正弦波式曲线与其相邻的曲线相交于蜂窝胞元的顶点。
16.作为一种优选实施方式，所述蜂窝胞元的边长a满足a＝2π/w。
17.作为一种优选实施方式，所述消能曲壁在各水平截面中单周期正弦波式曲线的振幅a(z) 满足
18.作为一种优选实施方式，上述的正多边形手性蜂窝各位置的壁厚相等。
19.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：本发明的三维曲壁同相正多边形手性蜂窝保持了传统直壁蜂窝结构力-位移曲线平稳的优势，在不浪费额外空间的前提下极大地提高了吸能总量和比吸能。不同消能曲壁通过正多边形直壁蜂窝骨架的稳定结构的形式相互连接，具有整体稳定性，保持了力-位移曲线平缓的特点。另外，相比于直壁蜂窝消能装置，消能曲壁和手性蜂窝的性能得到明显的提升。更具体地，上宽下窄的消能曲壁的轴向刚度得到较大地提高，能够较大提高力-位移曲线的平均值；手性蜂窝展现出更为稳定可控的变形吸能模式，即手性蜂窝正多边形采用了上宽下窄的消能曲壁，通过几何的不对称性消除了随机性的影响，变形模式易于控制、稳定可靠，避免了直壁蜂窝消能装置变形模式并不稳定而导致的随机屈曲、翻转等不可控现象。
附图说明
20.图1为实施例1至2的三维曲壁同相正六边形手性蜂窝的斜视图；
21.图2为实施例1至2的三维曲壁同相正六边形手性蜂窝的俯视图；
22.图3为图2所述三维曲壁同相正六边形手性蜂窝蜂窝胞元的正方向示意图；
23.图4为实施例1至2的三维曲壁同相正六边形手性蜂窝在底层的水平截面示意图；
24.图5为实施例1至2的三维曲壁同相正六边形手性蜂窝在顶层的水平截面示意图；
25.图6为图1三维曲壁同相正六边形手性蜂窝在压缩载荷下的变形示意图；
26.图7为传统直壁六边形蜂窝在压缩载荷下的变形示意图；
27.图8为图1三维曲壁同相正六边形手性蜂窝和传统直壁六边形蜂窝在压缩载荷下的力
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位移曲线图；
28.图9为实施例3-4的三维曲壁同相正四边形手性蜂窝的斜视图；
29.图10为实施例3-4的三维曲壁同相正四边形手性蜂窝的俯视图；
30.图11为实施例3-4的三维曲壁同相正四边形手性蜂窝在底层的水平截面示意图；
31.图12为实施例3-4的三维曲壁同相正四边形手性蜂窝在顶层的水平截面示意图；
32.图13为图9三维曲壁同相正四边形手性蜂窝在压缩载荷下的变形示意图；
33.图14为传统直壁六边形蜂窝在压缩载荷下的变形示意图；
34.图15为图9三维曲壁同相正四边形手性蜂窝和传统直壁六边形蜂窝在压缩载荷下的力
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位移曲线图。
具体实施方式
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“拼接”、“抵触”等术语应做广义理解，例如，所述拼接可以是传统方法或3d打印加工。其中，传统方法是，通过模具加工单独的消能曲壁，然后将每个消能曲壁切开适当长度、数量的笔直缺口，将一系列消能曲壁通过缺口拼接在一起，再通过粘接、焊接等方式进行加固。所述接触可以使用前的就有的直接接触，也可是在手性蜂窝受到冲击时产生的抵触。退一步讲，上述属于又不仅作以上理解，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
37.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“优选实施方式”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
38.为了能够更清楚地理解本发明的目的、特征和优点，下面结合附图-至8和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
39.实施例1
40.一种三维曲壁同相正六边形手性蜂窝，所述正六边形手性蜂窝由消能曲壁和直壁蜂窝骨架轮廓构成。具体示意图请参阅图1至图5，其中，图1为三维曲壁同相正六边形手性蜂窝的斜视图；图2为三维曲壁同相正六边形手性蜂窝的俯视图；图3为图2所述三维曲壁同相手性蜂窝蜂窝胞元的正方向示意图；图4为三维曲壁同相正六边形手性蜂窝在底层的水平截面示意图；图5为三维曲壁同相正六边形手性蜂窝在顶层的水平截面示意图。将所述消
能曲壁拼接于蜂窝胞元中即可形成三维曲壁同相正六边形手性蜂窝。形成的正六边形手性蜂窝在各个壁厚的位置相等。
41.所述直壁蜂窝骨架轮廓由蜂窝胞元构成，更具体地，所述蜂窝胞元的水平截面形状呈正六边形，且呈手性特征。更具体地，所述蜂窝胞元的数量可根据实际安全事故的破坏强度进行设置。
42.所述消能曲壁为上宽下窄的曲面结构。更具体地，所述上宽下窄的曲面结构为：所述消能曲壁在任一水平面z的截面形状为频率为w的单周期正弦波式曲线。所述频率为w的单周期正弦波式曲线的振幅a(z)随着水平面位置z的提高而增大。
43.多个蜂窝胞元与消能曲壁拼接、装配形成的正六边形手性蜂窝，其中，所述消能曲壁的频率为w的单周期正弦波式曲线在其所处的蜂窝胞元的正方向上的曲线具有相同的初始相位；频率为w的单周期正弦波式曲线与其相邻的曲线相交于蜂窝胞元的顶点。作为一种优选实施方式，所述蜂窝胞元的边长a满足a＝2π/w，消能曲壁在各水平截面中单周期正弦波式曲线的振幅a(z)满足
44.上述的正六边形手性蜂窝在使用过程中，消能曲壁不相互抵触。另外，三维曲壁同相正六边形手性蜂窝保持了传统直壁蜂窝结构力-位移曲线平稳的优势，在不浪费额外空间的前提下极大地提高了吸能总量和比吸能。不同消能曲壁通过正六边形直壁蜂窝骨架的稳定结构的形式相互连接，具有整体稳定性，保持了力-位移曲线平缓的特点。
45.此外，通过设置上宽下窄的消能曲壁的轴向刚度得到较大地提高，能够较大提高力-位移曲线的平均值；正六边形手性蜂窝展现出更为稳定可控的变形吸能模式，即正六边形手性蜂窝采用了上宽下窄的消能曲壁，通过几何的不对称性消除了随机性的影响，变形模式易于控制、稳定可靠，避免了直壁蜂窝消能装置变形模式并不稳定而导致的随机屈曲、翻转等不可控现象。
46.实施例2
47.本实施例在实施例1的三维曲壁同相正六边形手性蜂窝的基础上，将其与传统直壁蜂窝受均布冲击载荷情况的分析对比。
48.本实施例通过有限元数值模拟计算所组装吸能防护装置承受均布冲击载荷时的吸能防护效果。采用abaqus/explicit进行动态模拟。
49.三维曲壁同相正六边形手性蜂窝与传统直壁蜂窝所设壁厚均为1mm，高度均为95mm，采用材料均为201不锈钢，三维曲壁同相正六边形手性蜂窝所采用的正六边形直壁蜂窝骨架轮廓边长为10mm，传统直壁蜂窝的边长也为10mm。三维曲壁同相正六边形手性蜂窝设置两组模型，顶层和底层的水平截面中正弦波式曲线振幅比分别为amax/amin＝2和amax/amin＝4。
50.设置冲击物为正方形刚体板来模拟均布载荷，冲击速度设为匀速5m/s。根据数值模拟结果得到三维曲壁同相正六边形手性蜂窝与传统直壁蜂窝承受均布冲击载荷时的变形特征和载荷-位移曲线，具体的模拟结果参见图6、图7和图8。其中，图6为图1所述三维曲壁同相正六边形手性蜂窝在压缩载荷下的变形示意图，图7为传统直壁六边形蜂窝在压缩载荷下的变形示意图，图8为图1所述三维曲壁同相正六边形手性蜂窝和传统直壁六边形蜂窝在压缩载荷下的力-位移曲线图。根据附图的结果，三维曲壁同相正六边形手性蜂窝变形更为稳定一致，而直壁蜂窝内部变形不明显、有整体倾斜；三维曲壁同相正六边形手性蜂窝
力-位移曲线平稳，且承载能力更强。
51.实施例3
52.相比于实施例1，本实施例的不同之处在于：本实施例的蜂窝胞元的水平截面形状呈正四边形，具体如图9至12所示。其中，图9为三维曲壁同相正四边形手性蜂窝的斜视图，图 10为三维曲壁同相正四边形手性蜂窝的俯视图，图11为三维曲壁同相正四边形手性蜂窝在底层的水平截面示意图，图12为三维曲壁同相正四边形手性蜂窝在顶层的水平截面示意图。
53.实施例4
54.本实施例采用实施例2的方法和数据，将实施例3的三维曲壁同相正四边形手性蜂窝与传统直壁蜂窝受均布冲击载荷情况的分析对比。具体的变形示意图及对比结果如图13至图 15所示。
55.通过对比结果可知，三维曲壁同相正四边形手性蜂窝变形更为稳定一致，而直壁蜂窝内部变形不明显、有整体倾斜；三维曲壁同相正四边形手性蜂窝力-位移曲线平稳，且承载能力更强。
56.实施例5
57.相比于实施例1，本实施例的不同之处在于：本实施例的蜂窝胞元的水平截面形状为其他几何形状。通过将上述上宽下窄的消能曲壁与直壁蜂窝骨架轮廓拼接、装配，形成的三维曲壁同相手性蜂窝也具备实施例1、3的三维曲壁同相手性蜂窝的有益效果。
58.实施例6
59.相比于实施例1，本实施例的不同之处在于：所述消能曲壁和直壁蜂窝骨架轮廓采用传统方法或3d打印加工。其中，传统方法是，先通过模具加工单独的曲壁，然后将每个曲面切开适当长度、数量的笔直缺口，将一系列消能曲壁通过缺口拼接在一起，再通过粘接、焊接等方式进行加固。
60.与现有技术相比，上述实施例的有益效果为：上述实施例三维曲壁同相手性蜂窝相比于直壁蜂窝消能装置，消能曲壁和手性蜂窝的性能得到明显的提升。即上宽下窄的消能曲壁的轴向刚度得到较大地提高，能够较大提高力-位移曲线的平均值；手性蜂窝展现出更为稳定可控的变形吸能模式，即手性蜂窝采用了上宽下窄的消能曲壁，通过几何的不对称性消除了随机性的影响，变形模式易于控制、稳定可靠，避免了直壁蜂窝消能装置变形模式并不稳定而导致的随机屈曲、翻转等不可控现象。三维曲壁同相手性蜂窝保持了传统直壁蜂窝结构力
‑ꢀ
位移曲线平稳的优势，在不浪费额外空间的前提下极大地提高了吸能总量和比吸能。不同消能曲壁通过直壁蜂窝骨架的稳定结构的形式相互连接，具有整体稳定性，保持了力-位移曲线平缓的特点。
61.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。