一种具有良好缓冲吸能特性的曲面折纸管结构

1.本发明涉及缓冲技术领域，具体涉及一种具有良好缓冲吸能特性的曲面折纸管结构。


背景技术：

2.实际工程应用中，如汽车、火车和飞机等，都具有能量吸收装置，用于减小在交通碰撞事故中造成的损害，一般来说，为了获得理想的能量吸收装置，通常选用薄壁管作为理想模型，在耐撞性设计中，该结构具有较低的初始峰值力和较低的平均破碎力。
3.既有研究表明引入折纸图案的薄壁管可有效地降低初始峰值力，提升吸能能力，而且结构制备简单。但目前的折纸管结构主要侧重于直线折痕，即，两顶点之间只能一种固定折痕方式，限制了结构设计的自由度，进而导致其吸能能力有限。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种吸能能力较强的具有良好缓冲吸能特性的曲面折纸管结构。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种具有良好缓冲吸能特性的曲面折纸管结构，包括管状的折叠单元，折叠单元由多块依次连接的折叠板组成，相邻两个折叠板之间通过谷折连接，折叠板包括通过山折连接的第一单元板和第二单元板，谷折和山折沿折叠单元的外周方向交替排布，谷折和山折均呈曲线状。
6.采用这种结构后，采用曲线折痕可以实现两点之间多种折痕弯折形式，大大提高了折纸管结构的设计自由度，有利于进一步提升折纸管结构吸能能力，且采用曲线的折痕，使折叠单元形成多个曲面结构，相对于直线折痕形成的多个平面结构，其承载能力更强。
7.作为一种优选，山折包括两个第一弧线段，相邻的第一弧线段通过第一连接段连接，两个第一弧线段相互对称；谷折包括两个第二弧线段，相邻的第二弧线段通过第二连接段连接，两个第二弧线段相互对称。
8.作为一种优选，第一连接段和第二连接段均呈圆弧形。
9.作为一种优选，折叠板包括分别连接两个相邻的折叠板的第一边缘线和第二边缘线；每块折叠板中，第一弧线段的凸起朝向第二边缘线，山折和第一边缘线的起点位置相同，山折和第一边缘线的终点位置相同。
10.作为一种优选，第一弧线段的曲率大于第二弧线段的曲率。
11.作为一种优选，第一弧线段与第一连接段之间平滑连接，第二弧线段与第二连接段之间平滑连接。
12.作为一种优选，折叠单元由6张折叠板组成。
13.作为一种优选，折叠单元的材料为金属。
14.作为一种优选，折叠单元的材料为316l不锈钢。
15.作为一种优选，折叠单元通过3d打印制成。
16.总的说来，本发明具有如下优点：本发明结构轻便，且采用曲线的折痕形式提高了结构设计的自由度，改变曲线折痕形式发生，曲面折纸管结构的曲面板在受力时发生屈曲失稳的过程也随之改变，进而实现曲面折纸管结构的缓冲吸能特性的调节，可更好地适应种类需求；曲线的折痕形成了多个曲面，具有更高的承载能力；折痕中间圆弧状的连接段过渡，避免了折叠时产生的应力集中问题，提高了整个折叠单元的吸能能力。
附图说明
17.图1为折叠单元的立体图。
18.图2为折叠板展开后的平面图。
19.图3为折叠单元展开后的平面图。
20.图4为折叠板的设计参数示意图。
21.图5为w1＝10mm时对折叠单元进行准静态压缩仿真所得的力-位移曲线图。
22.图6为改变w1并对折叠单元进行准静态压缩仿真所得的力-位移曲线图
23.其中，1为山折，2为谷折，3为第一边缘线，4为第二边缘线，5为边界线。11为第一弧线段，12为第一连接段，21为第二弧线段，22为第二连接段。
具体实施方式
24.下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
25.实施例一
26.如图1和图2所示，一种具有良好缓冲吸能特性的曲面折纸管结构，包括管状的折叠单元，折叠单元由多块依次连接的折叠板组成，相邻两个折叠板之间通过谷折连接，折叠板包括通过山折连接的第一单元板和第二单元板，谷折和山折沿折叠单元的外周方向交替排布，谷折和山折均呈曲线状。
27.山折包括两个第一弧线段，相邻的第一弧线段通过第一连接段连接，两个第一弧线段相互对称；谷折包括两个第二弧线段，相邻的第二弧线段通过第二连接段连接，两个第二弧线段相互对称。
28.第一连接段和第二连接段均呈圆弧形。
29.折叠板包括分别连接两个相邻的折叠板的第一边缘线和第二边缘线；每块折叠板中，第一弧线段的凸起朝向第二边缘线，山折和第一边缘线的起点位置相同，山折和第一边缘线的终点位置相同。折叠板还包括位于两端的两条边界线。
30.第一弧线段的曲率大于第二弧线段的曲率。
31.第一弧线段与第一连接段之间平滑连接，第二弧线段与第二连接段之间平滑连接。
32.折叠单元由6张折叠板组成。
33.折叠单元的材料为金属。
34.折叠单元的材料为316l不锈钢。
35.折叠单元通过3d打印制成。
36.上述一种具有良好缓冲吸能特性的曲面折纸管结构可通过以下方式实施。
37.步骤一：以折叠板作为基本单元设置几何参数，如图3所示，在oxy坐标系中，设折
叠板的半高为2h，谷折和山折到x轴的距离分别为w1，w2，为了消除应力集中的影响，谷折与山折分别在对称处进行倒圆，分别形成一个圆角状的第一连接段和第二连接段，半径分别用r1和r2表示。
38.步骤二：根据上述基本单元的几何参数，折叠单元的谷折线和山折线分别可以用以下方程式表示：
[0039][0040][0041]
步骤三：为了避免谷折与山折相交，不改变二者之间的交替排列，使w1＜w2。将一个折叠板的边距宽度限制为w。设r1、r2与单元的半高2h之间的比值为定值k1和k2，如下式。
[0042][0043]
使k1＝3.375，k2＝9。
[0044]
如图4所示，其中的w为折叠单元的上下底面的周长，h为折叠单元的高度。n
x
为折叠板在x轴方向的个数，ny为折叠板在y轴方向的个数。
[0045]
上述各几何参数的取值为：2h＝67.5mm，w＝40mm，w2＝30mm，w1＝10mm，n
x
＝6，ny＝1。
[0046]
折叠单元采用具有良好延展性的316l不锈钢材料制作。对316l不锈钢材料进行拉伸实验，以获得材料属性参数。建立上述具有缓冲吸能特性的曲面折纸管结构有限元模型，并利用abaqus有限元仿真软件对其进行准静态压缩仿真，得到如图5所示的力-位移曲线。从曲线可以看出，初始压缩过程中，曲面折纸管结构将获得初始峰值力；随着压缩位移增大，该峰值力将减小至一段相对平稳范围，在该范围中，曲面折纸管处于平稳压缩状态，可实现有效吸能；最后，曲面折纸管结构进入压溃阶段。图5中的阴影部分面积表示有效吸能区域，可以发现曲面折纸管结构具有较好的缓冲能量的能力。
[0047]
在保证其他参数及初始二维平面结构一致的情况下，改变关键几何参数w1，将其分别设置为5mm和10mm，并得到如图6所示的力-位移曲线，结果表明，w1＝10mm时的有效吸能区域面积比w1＝5mm时更大，即吸收能量的能力更强。因此，单纯改变曲线折痕的位置就可以很方便地调节曲面折纸管结构的吸能能力。
[0048]
上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。