一种基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置

1.本发明属于减振吸能领域，具体涉及一种基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置。


背景技术：

2.吸能装置作为一种吸收能量或减小振动的设备，广泛应用于生活生产中的各个领域。在汽车防撞领域，通常将金属薄壁结构设计成车身的支撑，用于改良汽车的防撞性能。在个人安全防护领域，如机动车头盔、以及劳动保护装备等全部要求具有很好的能量吸收能力。在包装运输领域，如泡沫板、纸张木屑等吸能材料用于保护物品，使其在运输过程中免受损伤。目前传统的吸能装置存在响应速度慢、噪声较大、以及无法做到多维度吸能等问题。随着传统吸能装置存在的以上问题愈加严重，因此设计一种符合时代需求的吸能装置是十分必要的。
3.理想的吸能装置是在位移增力大时可以施加更大的控制力，限制位移的增加，而在位移减小时降低控制力。电流变体是一种可控流体，在外加电场的作用下能够在瞬间由牛顿流体转变为塑性固体，具有响应速度快、控制力可调节、转变过程可逆等优点。摩擦发电技术是利用极性相反的两种材料相互摩擦或接触产生电信号，可以把微小的机械能转换为电能。摩擦纳米材料具有体积小、低频状态下的高效能量捕获等特点，受到了监测感知领域的广泛关注。
4.在本发明中，考虑上述传统吸能装置存在的问题，提出了一种基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置，可用于生活生产中的各个减震吸能领域。


技术实现要素：

5.针对传统的吸能装置存在响应速度慢、噪声较大，以及无法实现多维度吸能等缺点，本发明提出的一种基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置，该装置包括上部单元、下部单元、数据采集与放电控制模块和供能模块；
7.所述上部单元包括上部弹性基体、侧壁上表面和侧壁下表面；下部单元包括上极板、下部弹性基体、电流变液、下极板；
8.所述下部弹性基体内部充满电流变液；所述上极板和下极板分别安装在下部弹性基体内部的上下表面，和供能模块连接；
9.所述上部弹性基体和下部弹性基体的形状均是基于锥形折纸结构设计，二者为分开设计，上部弹性基体粘结在下部弹性基体上，上部弹性基体和下部弹性基体的上下底面均为正六边形结构，上底面的初始位置相对于下底面有一定的旋转角度，且下底面的面积大于上底面，侧壁的上下表面均为三角形结构，两三角形的公共边向内或向外折叠形成锥形折纸结构的侧棱；
10.所述侧壁上表面和侧壁下表面分别由极性相反的材料组成，当受到轴向载荷时，上部弹性基体，在轴向产生折展现象，在周向产生旋转现象，侧壁上表面和侧壁下表面进行接触分离，根据摩擦发电原理，产生电压信号，由数据采集与放电控制模块采集。
11.进一步地，上部弹性基体和下部弹性基体的结构设计启发于锥形折纸结构，通过三维建模软件建立锥形折纸结构模型，使用具有弹性的tpu材质，通过3d打印制造而成。
12.进一步地，上部单元实现多角度监测功能，上部单元在轴向载荷作用下，上部弹性基体产生轴向和周向的复合运动，在复合运动过程中，侧壁上表面和侧壁下表面通过折展和旋转发生接触分离现象；当轴向载荷消失时，上部弹性基体依靠自身弹性自动复原。
13.进一步地，上部单元的侧壁上表面和侧壁下表面分别由极性相反的铝和聚乙烯(pe)材料组成。
14.进一步地，所述下部单元底部安装有一个控制仓，控制仓内部安装数据采集与放电控制模块和供能模块两部分。
15.进一步地，上极板和下极板均为具有导电性的铜板，分别镶嵌在下部弹性基体的上下底面，通过内部管线与控制仓连接。
16.进一步地，所述数据采集与放电控制模块包括数据采集芯片和放电控制芯片，数据采集芯片通过内部管线采集上部单元所产生的电压信号，电压信号的大小与轴向载荷大小呈正相关；根据上部单元监测到的轴向载荷不同，供能模块在放电控制芯片的约束下对上极板和下极板施加不同大小的电压，使电流变液瞬间固化。
17.进一步地，供能模块由蓄电池和贴片式太阳能发电板两部分组成，贴片式太阳能发电板贴附在下部单元外侧，通过内部管线为蓄电池充电，蓄电池为数据采集芯片和放电控制芯片供电。
18.进一步地，下部单元实现迅速吸能功能，蓄电池在放电控制芯片的约束下为上极板和下极板施加外加电场。
19.进一步地，所述电流变可折展主动吸能装置布置简单，能够采取多个装置串联形成塔形，增加装置的整体长度，或者采取多个装置并联的方式形成平面阵列，增大装置产生的作用力以及有效面积。
20.本发明的有益效果为：
21.1、吸能装置的上部单元和下部单元均采用锥形结构设计，分别实现监测和吸能功能。上部单元侧壁由极性相反的摩擦发电材料组成，可以同时灵敏监测轴向和周向的振动或冲击；下部单元在形变过程可同时吸收轴向压缩能量和周向扭转能量。
22.2、通过采集芯片采集上部单元所产生的电压信号，并由放电控制芯片控制供能模块对下部单元的上下极板施加电压，使得电流变体固化，该装置存在响应速度快、控制力可调节、转变过程可逆等优点，可迅速吸收外部撞击或振动所产生的能量。
23.3、吸能装置布置简单，可根据实际应用场景选择合适的形状，例如可采取多个装置串联形成塔形，增加装置的整体长度，也可采取多个装置并联的方式形成平面阵列，增大装置产生的作用力以及有效面积。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
25.图1是基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置的外观示意图；
26.图2是基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置的上部和下部单元示意图；
27.图3是基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置的上部单元发电机理示意图；
28.图4是基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置的控制仓内部示意图；
29.图5是基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置的应用示意图；
30.图中：1.上部单元，101.上部弹性基体，102.侧壁上表面，103.侧壁下表面，2.下部单元，201.上极板，202.下部弹性基体，203.电流变液，204.下极板，205.控制仓，206.内部管线，3.数据采集与放电控制模块，301.数据采集芯片，302.放电控制芯片，4.供能模块，401.蓄电池，402.贴片式太阳能发电板。
具体实施方式
31.以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
32.如图1-图4所示，本发明提供了一种基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置，包括上部单元1、下部单元2、数据采集与放电控制模块3和供能模块4。
33.上部单元1包括上部弹性基体101，侧壁上表面102，侧壁下表面103三部分。下部单元2由上极板201，下部弹性基体202，电流变液203，下极板204，控制仓205，内部管线206六部分组成。
34.上部弹性基体101和下部弹性基体202的结构设计启发于锥形折纸结构，通过三维建模软件建立锥形折纸结构模型，使用弹性较好的tpu材质，通过3d打印制造。锥形折纸结构的上下底面均为正六边形结构，上底面的初始位置相对于下底面有一定的旋转角度，且下底面的面积大于上底面。锥形折纸结构侧壁的上下表面均为三角形结构，两三角形的公共边向内或向外折叠形成锥形折纸结构的侧棱。
35.上部单元1可以实现多角度监测功能。上部单元1在轴向载荷作用下，上部弹性基体101可以产生轴向和周向的复合运动，在轴向产生折展现象，在周向产生旋转现象，在复合运动过程中，侧壁上表面102和侧壁下表面103通过折展和旋转发生接触分离现象。当轴向载荷消失时，上部弹性基体101依靠自身弹性自动复原。
36.上部单元1的侧壁上表面102和侧壁下表面103分别由极性相反的两种材料铝和聚乙烯pe组成。在轴向载荷作用下，侧壁上表面102和侧壁下表面103发生接触分离，根据摩擦发电原理，产生电信号。
37.上极板201和下极板204均为导电性较好的铜板，分别镶嵌在下部弹性基体202的上下底面，通过内部管线206与控制仓205连接。
38.下部单元2可以实现迅速吸能功能。下部单元2内部充满电流变液203，蓄电池401可以在放电控制芯片302的约束下为上极板201和下极板204施加外加电场。
39.下部单元2底部装有一个控制仓205，其内部包括数据采集与放电控制模块3和供
能模块4两部分。
40.数据采集与放电控制模块3包括数据采集芯片301和放电控制芯片302，数据采集芯片301通过内部管线206采集上部单元1所产生的电压信号，电压信号的大小与轴向载荷大小呈正相关。
41.供能模块4由蓄电池401和贴片式太阳能发电板402两部分组成，贴片式太阳能发电板402贴附在下部单元2外侧，通过内部管线206为蓄电池401充电，蓄电池401为数据采集芯片301和放电控制芯片302供电，保证其正常稳定运行。
42.图2、图3、图4具体解释了该基于摩擦发电技术的电流变可折展主动吸能装置的工作原理，上部单元1在轴向载荷作用下，上部弹性基体101可以产生轴向和周向的复合运动，在轴向产生折展现象，在周向产生旋转现象，在复合运动过程中，侧壁上表面102和侧壁下表面103通过折展和旋转发生接触分离现象，根据摩擦发电原理，产生电信号。当轴向载荷消失时，上部弹性基体101依靠自身弹性自动复原。根据上部单元1监测到的轴向载荷不同，供能模块4在放电控制芯片302的约束下对上极板201和下极板204施加不同大小的电压，电流变液203在外加电场作用下能够在瞬间由牛顿流体转变为塑性固体，从而增强装置硬度，以吸收外部撞击或振动所产生的能量，具有响应速度快、控制力可调节、转变过程可逆等优点。
43.吸能装置布置简单，可将其布放在船坞码头，用于吸收船舶靠泊时产生的能量，保证不同大小船舶的靠泊安全。如图5所示，单个装置吸收能量的极限值较低，能适应的船舶类型有限，可采取多个装置串联形成塔形，增加装置的整体长度，也可采取多个装置并联的方式形成平面阵列，增大装置产生的作用力以及有效面积，进而提高防撞装置吸收能量的极限值。
44.当有船舶靠泊时，吸能装置的上部单元发生形变，产生电压信号，采集芯片采集所产生的电压信号，并由放电控制芯片控制供能模块对下部单元的上下极板施加电压，使得电流变体固化，可迅速吸收外部撞击或振动所产生的能量。
45.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。