一种多稳态压扭复合吸能结构
阅读说明：本技术 一种多稳态压扭复合吸能结构 (Multistable pressure-torsion composite energy absorption structure ) 是由 韩宾 王泽雨 李芸瑜 张琦 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多稳态压扭复合吸能结构,包括多个双稳态压扭复合单胞,并通过增材制造工艺加工后使用搭接-过盈配合的复合制造工艺组装,最终得到多稳态压扭复合结构。本发明实现同时具有多稳态效应与压扭效应的混杂复合结构设计,获得的这种多稳态压扭复合吸能结构同时具有缓冲能力强、吸能效率高及可重复使用的特点,并且可通过结构参数的修改对力学性能进行性能定制和机械编码,结合梯度设计,可编码出不同波峰的组合方式,在航空航天、交通运输、高端装备及国防军事领域具有非常好的应用前景。(The invention discloses a multistable pressure-torsion composite energy absorption structure which comprises a plurality of bistable pressure-torsion composite unit cells, and is assembled by using a composite manufacturing process of lap joint-interference fit after being processed by a material increase manufacturing process, so that the multistable pressure-torsion composite structure is finally obtained. The invention realizes the design of a hybrid composite structure simultaneously having a multistable pressure-torsion effect and a pressure-torsion effect, the obtained multistable pressure-torsion composite energy-absorbing structure has the characteristics of strong buffering capacity, high energy-absorbing efficiency and reusability, and can customize and mechanically encode the mechanical property by modifying structural parameters, combine gradient design and encode a combination mode of different wave crests, thereby having very good application prospect in the fields of aerospace, transportation, high-end equipment and national defense and military.)
技术领域
本发明属于机械超材料技术领域，具体涉及一种多稳态压扭复合吸能结构。
背景技术
在航空航天领域，交通运输领域，减振吸能结构被大量用于减小结构振动、缓冲吸能，起到保护精密传感器，延长设备使用寿命的作用。但是传统的减振结构，如金属橡胶等，往往存在设计与制造存在误差、需要经验修正的问题。
双稳态结构指的是结构本身存在两种稳定状态，并且从一个稳定状态向另一个稳定状态转变的过程中，结构会发生突跳的失稳现象，并且伴随明显的振动，从而吸收一定的能量。而在转移到另一个稳定状态后，结构也会储存一定的应变能，从而起到减振缓冲的效果。
但是，由于双稳态结构往往使用细长杆进行设计，导致其强度不高，并且在进入第二个稳态之后，结构处于压实状态，会导致在压实状态下的小位移载荷对整体结构造成塑性变形，从而影响整个结构的使用寿命。
压扭结构指的是结构在单向受压过程中部分位置发生扭转变形，扭转可以增强结构的强度，同时将一定的能量消耗在部件的动能上，目前广泛应用于航空航天及光学领域。由于压扭结构的压扭原理会导致结构在下压过程中同时出现扭转和弯曲的共同变形，容易出现塑性变形，目前对于压扭结构的计算分析往往集中在小位移小载荷上，鲜有应用在大变形下的相关研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多稳态压扭复合吸能结构，将压扭结构与双稳态结构融合，解决了双稳态结构压实状态的塑性变形问题，提高了结构的使用寿命，实现了多稳态压扭结构的弹性阶段大变形，大大提高了结构单位压缩变形下的扭转角度，获得了优异的减振能力和吸能效率。
本发明采用以下技术方案：
一种多稳态压扭复合吸能结构，包括多个双稳态压扭复合单胞，双稳态压扭复合单胞沿XYZ轴方向阵列设置组成多稳态压扭复合结构，双稳态压扭复合单胞包括多个双稳态单胞，多个双稳态单胞分上下两层设置，上层的双稳态单胞与下层的双稳态单胞的连接处设置有夹板，上层双稳态单胞和下层双稳态单胞的另一侧分别设置有盖板。
具体的，双稳态单胞包括第一杆，第一杆的一端与第二杆的一端连接，第一杆与第二杆的连接处通过一个第四杆连接第三杆的一端，第一杆，第二杆和第三杆的另一端分别通过一个第四杆连接对应的搭接部分。
进一步的，第一杆与第三杆的夹角θ为90～180°，第一杆和第二杆连接处的转角β为90～180°。
进一步的，第一杆，第二杆和第三杆的直径大于第四杆的直径。
进一步的，第四杆的长度小于等于双稳态单胞宽度的5％，第四杆的长宽比η小于0.5。
具体的，盖板，双稳态单胞和夹板之间采用过盈配合方式连接。
具体的，盖板，双稳态单胞和夹板为一体化结构，采用增材制造制备而成。
具体的，上下两层双稳态单胞之间采用搭接方式连接。
具体的，双稳态单胞至少包括8个。
具体的，双稳态压扭复合单胞在Z轴阵列方向为梯度化结构。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种多稳态压扭复合结构，提出了一种全新的具有双稳态效应和压扭效应的单胞，双稳态结构提高了压扭结构的变形比例，压扭结构由于其自增强性提高了双稳态结构的结构强度，提高了整体结构的吸能效果，两者结合展现出优异的能量吸收和减振能力，是极具前景的新一代超结构单胞设计思路。
进一步的，双稳态压扭复合单胞尺寸，多稳态超结构阵列数量均为可调参数，有利于结构的设计性，提升结构减振及能量吸收能力。
进一步的，夹角θ用于调整结构的双稳态效应，越大的夹角对应结构双稳态效应越弱，可通过调整夹角进一步调整结构的整体刚度和强度；转角β用于调整结构的扭转角度，大转角可提供大扭转角，从而提高结构在受压过程中的扭转变形，从而提高结构吸能效果。
进一步的，第一杆，第二杆和第三杆的直径均大于第四杆的直径，这样可以保证结构在工作过程中第四杆优先变形，从而实现力学性能的可控。
进一步的，第四杆的长度L以及长宽比η的合理设置可以使第四杆在压缩过程中表现的更像铰链，从而减小由于杆件自身弯曲带来的结构力学性能的影响。
进一步的，过盈配合的装配方式可以减少一体成型过程中结构由于其自身复杂性和增材制造的各向异性导致的结构性能缺陷，同时可以提高每个单胞的应用率，坏掉的单胞可以拆卸单独替换，而不用整体重新制作。
进一步的，本发明使用增材制造技术和嵌锁搭接复合制造工艺，提高了结构的整体性能，并且优化了结构的加工效率，将复杂的超材料简化到双稳态单胞的设计上，易于定量设计，制造和推广。
进一步的，搭接方式连接设置可以进一步提高过盈配合的强度，结构自身互相嵌锁，使得结构更难发生松动。
进一步的，双稳态单胞数量越多，则冲击过程中整体结构的内部振动则越剧烈，从而产生更多内能和粘弹性损耗以提高吸能效果，所以双稳态单胞应阵列至少5个。
进一步的，本发明还可采用梯度设计，对双稳态压扭复合单胞上下部分使用不同的设计参数，且周期阵列的单胞设计可以设置为梯度分布，从而对结构的力学性能实现可编程设计。
综上所述，本发明实现同时具备压扭效应和多稳态效应的压扭复合吸能结构，集合了压扭效应、多稳态效应，采用增材制造技术和嵌锁搭接组装方法的制备工艺，可实现结构的力学性能可编程设计，具有可设计性强，制备周期短，结构创新性强，在航空航天，高端装备以及国防军事领域具有广泛的应用前景。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的多稳态压扭复合结构示意图；
图2为本发明的多稳态压扭复合结构中的双稳态压扭复合单胞结构示意图；
图3为双稳态单胞结构示意，其中(a)为结构示意图，(b)为参数示意图；
图4为双稳态压扭复合单胞搭接示意图；
图5为本发明的多稳态压扭单胞引用不同压扭结构的2种结构示意图，其中(a)为六边形梯度设计，(b)为三角形梯度设计；
图6为本发明的多稳态压扭复合结构在20次循环位移载荷作用下的力学响应曲线图；
图7为本发明的多稳态压扭复合结构在压缩载荷作用下的转角-位移曲线图。
其中：1.多稳态压扭复合吸能结构；2.双稳态压扭复合单胞；3.盖板；4.夹板；5.双稳态单胞；6.第一杆；7.第二杆；8.第三杆；9.第四杆；10.搭接部分。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图1，本发明提供了一种多稳态压扭复合吸能结构，包括多个双稳态压扭复合单胞2，双稳态压扭复合单胞2沿三个方向阵列组成多稳态压扭复合结构1。
请参阅图2，双稳态压扭复合单胞2包括两个盖板3，一个夹板4和八个双稳态单胞5，四个双稳态单胞5的下部与一个盖板3连接，四个双稳态单胞5的上部与剩余四个双稳态单胞5的下部连接，剩余四个双稳态单胞5的上部与另一个盖板3连接，上下两个双稳态单胞5的连接处设置有夹板4，双稳态单胞5、夹板4和盖板5使用搭接-过盈配合的嵌锁组装工艺进行装配。
最简的双稳态压扭复合单胞2包括8个双稳态单胞5。
搭接部分可使用SLM技术，FDM技术，线切割技术等相关加工方式对高弹性或超弹性材料进行加工制备得到；过盈配合部分由盖板3加工时提供0.1mm±0.05mm的余量来实现。
请参阅图3，双稳态单胞5为构成多稳态压扭复合吸能结构1的最小单元，包括三个搭接部分8，第一杆6，第二杆7，第三杆8，第四杆9以及搭接部分10，第一杆6的一端分别与第二杆7和第三杆8的一端连接，第一杆6与第三杆8之间通过第四杆9连接，第一杆6，第二杆7，第三杆8的另一端分别通过一个第四杆9连接对应的搭接部分10。
其中，第一杆6，第二杆7和第三杆8的直径大于第四杆9的直径，第一杆6，第二杆7和第三杆8上部的厚度定义为D1，第一杆6，第二杆7和第三杆8下部的厚度定义为D2，第一杆6，第二杆7和第三杆8分别与第四杆9连接处的角度定义为α；第一杆6与第三杆8的夹角θ为90～180°，第一杆6和第二杆7连接处的转角β为90～180°；第四杆9的长度定义为L；第四杆9长宽比定义为η；双稳态单胞5高度定义H；宽度定义W。
在具体参数中，以整体高度H和宽度W为100为例，D1设置为5～10mm用于保证结构在双稳态切换时具有一定刚度，D2设置为5～10mm用于保证第三杆在弯曲时具有一定的刚度，α设置在120°，用于提供一定的倒角防止结构工作过程中互相干涉，夹角θ为90～180°用于保证结构的双稳态特性，转角β为90～180°用于保证结构的压扭特性，L大于4mm，长宽比η小于0.5，以保证第四杆足够短，在压缩过程中更接近铰链变形，从而提高结构强度和可控性。
优选地，双稳态单胞5采用热塑性聚氨酯材料制备而成，热塑性聚氨酯的弹性模量变化范围20～200MPa，可根据实际成本与强度需求选择合适弹性模量的聚氨酯，或使用其他超弹性材料，如橡胶，泡沫，弹簧钢等，可选择性强，应用范围广泛；超弹性材料保证结构极端情况下的大变形可恢复性，有利于结构的多次重复利用。
进一步的，夹板4为转动部分，可通过在夹板4上加装实体来增加配重，配重应结合第四杆具体参数设计，以保证配重的转动不会导致第四杆发生塑性变形。
本发明还可根据吸能需求在转动部分添加配重，从而进一步增加系统内部在压扭情况下消耗的动能，进一步提高吸能能力。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)运用商用三维建模软件SolidWorks绘制多稳态压扭复合结构中盖板、夹板和双稳态单胞的三维数据模型。其中调整左右两根第一杆6的夹角，150°～170°，中间间隔5°，设置5种不同夹角的双稳态单胞，第一杆6上部厚度4mm，第一杆6下部厚度4mm，第一杆6与第二杆7连接处的角度45°，左侧第一杆6转角120°，第二杆7长度1mm，总体双稳态单胞高度30mm，宽度50mm。将得到的三维数据模型转变为STL格式数据并导出。
(2)将上一步得到的盖板数据增厚0.1mm使其配合过程为过盈配合，之后将盖板和夹板的三维数据模型的数据切片后导入到光固化成型设备中，制造成型。
(3)将步骤(1)得到的双稳态单胞模型切片后导入到3D打印机中，使用FDM技术对TPU材料打印成型。
(3)将上一步得到的双稳态单胞4个一组采用嵌锁方式搭接组装起来，使用胶水辅助粘结。
(4)将上一步得到的粘接好的双稳态单胞与盖板和夹板组装，过盈配合装入，并使用胶水辅助粘接，待胶水凝固后得到双稳态压扭复合单胞。
(5)将上一步得到的双稳态压扭复合单胞排列组装，最终得到周期或梯度阵列的多稳态压扭复合吸能结构。
请参阅图4，双稳态单胞按图示方法搭接后与盖板配合完成组装。
请参阅图5，本发明的多稳态压扭单胞，其组合形式具有可调节性，并可使用梯度设计对结构力学性能进行可编程设计，图中给出了多稳态压扭单胞的两种不同设计形式示意图。其中，(a)为六边形梯度设计，在四边形的基础上使用六边形设计，提高了结构的刚度和强度，同时上下两层结构杆件设计使用不同厚度D或不同的θ值，使得结构受压过程中上层先压垮，下层后压垮，可调控下压过程的力学响应，(b)为三角形梯度设计，在四边形结构的基础上减少了一个面，从而提高了单位体积下的组合数量，从而提高的扭转储能部分在受压过程中的吸能缓冲作用，同时上下层结构使用不同厚度D或不同θ值的梯度化设计，使下压过程的力学响应可调控。
请参阅图6，为本发明的多稳态压扭单胞在20次单向压缩加卸载作用下的载荷-位移响应曲线，可见结构受力随着下压量的变化表现出两个波峰，两个波谷，说明本发明的多稳态压扭单胞存在多个结构稳定状态；在加卸载曲线中出现了较大的吸能区域，由于能量吸收部分集中在第二个波峰前后区域附近，粘弹性耗散表现为贯穿整个压缩过程的能量损耗，而且多个结构稳定状态之间转变过程中的结构剧烈抖动和夹板的转动产生了额外的能量耗散，提升了结构的吸能效果。20次压缩循环加卸载实验结果显示结构的载荷-位移曲线偏移误差不超过8％，说明结构具有良好的可重复性，适用于减振吸能结构的使用工况。
请参阅图7，为本发明的多稳态压扭单胞受到压缩时的载荷-位移变化曲线，可见中间夹板扭转角度随压缩位移的变化呈近似线性趋势，受多个稳态切换的影响会出现几次抖动，证明了夹板储存有一定动量，提高了结构的缓冲和吸能效果。
综上所述，本发明一种多稳态压扭复合吸能结构，结合多稳态效应和压扭效应进行合理的结构设计，可实现良好的吸能缓冲、多次可重复使用的性能需要。双稳态压扭复合单胞的可设计性强，可修改上下层单胞结构参数对整体结构进行机械编码，得到预期的力学相应曲线，具有广泛的应用前景。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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