一种基于折纸结构的缓冲吸能装置
未命名
10-09
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1.本发明涉及缓冲吸能装置技术领域,尤其是涉及一种基于折纸结构的缓冲吸能装置。
背景技术:
2.随着时代的发展,缓冲吸能装置的应用越来越广泛,不仅在军事,航空航天等高精尖领域应用广泛,在日常生活中的应用也处处可见。比如货物运输,结构防护,还有各种生活用品上都有使用。传统常见的缓冲吸能装置有弹簧式缓冲吸能装置,液压缓冲吸能装置等等,而传统的缓冲吸能装置存在着,不够轻质,比吸能低,安装麻烦,以及制造方法与可选用材料局限等缺点,因此需要发展更多性能更加好的缓冲吸能装置,虽然现在出现了蜂窝结构为核心的较轻质,比吸能增加的缓冲吸能装置,传统的六边形蜂窝结构平面外受压性能较好,但是其受冲击时,初始峰值应力较高,高峰值应力会导致力的传递增强,同时降低吸能效果,并且蜂窝为核心的缓冲吸能装置的力学性能还非常受冲击速度的影响(zhang,m.ashby,the out-of-plane properties of honeycombs,int.j.mech.sci.34(1992)475
–
489.),因此以传统蜂窝为核心的吸能缓冲装置性能还有待增强,为了获得性能更加好的缓冲吸能装置,本发明以折纸结构为核心,发明了一种缓冲吸能装置,近些年来,折纸结构引起了众多研究者的广泛关注,许多的折纸结构展现出良好的高能量吸收特性,在轴向应变过程中也没有明显初始峰值力(tomita s,shimanuki k,nishigaki h,et al.origami-inspired metamaterials with switchable energy absorption based on bifurcated motions of a tachi-miura polyhedron[j].materials&design,2023,225),许多折纸结构同时还具有负泊松的特性,负泊松比的特性将使结构的弹性模量随轴向压缩位移的增大而增大。而且折纸超材料的几何构型与整体机械性能具有紧密联系(zhang p,he y,yang h,et al.the mechanical behavior of polyline crease origami self-locking structure under quasi-static compressive loading[j].mathematical problems in engineering,2022,2022:1-16),可通过改变单元的几何参数满足不同的使用需求,另外,折纸结构具有丰富的可重组性,可按一定规律组合成不同整体(yamaguchi k,yasuda h,tsujikawa k,et al.graph-theoretic estimation of reconfigurability in origami-based metamaterials[j].materials&design,2022,213),因而有必要基于折纸结构发明一种缓冲吸能装置来满足社会的需求。
技术实现要素:
[0003]
本发明的目的在于提供一种基于折纸结构的缓冲吸能装置,能够解决上述技术问题。
[0004]
本发明提供一种基于折纸结构的缓冲吸能装置,包括顶部缓冲板、折叠缓冲吸能功能模块组和底部缓冲板,所述折叠缓冲吸能功能模块组位于所述顶部缓冲板与所述底部缓冲板之间,所述顶部缓冲板与所述折叠缓冲吸能功能模块组采用固定连接,所述底部缓
冲板与所述折叠缓冲吸能功能模块组采用固定连接,所述折叠缓冲吸能功能模块由折纸结构单元构成,相邻折纸结构单元之间固定连接。
[0005]
优选地,所述折纸结构单元包括第一面板和第二面板,所述第一面板和所述第二面板均由两个层板组成,所述第一面板的每一层板包括五个板面,所述第二面板的每一层板包括五个板面,相邻的两个所述板面非共面并在连接处形成折线。
[0006]
优选地,所述第一面板的第一层板包括依次相邻的a板面、b板面、c板面、d板面、e板面,所述第一面板的第二层板包括依次相邻的f板面、g板面、h板面、i板面、j板面,所述a板面与所述b板面形成一谷线,所述b板面与所述c板面形成一峰线,所述c板面与所述d板面形成二峰线,所述d板面与所述e板面形成二谷线,所述f板面与所述g板面形成三谷线,所述g板面与所述h板面形成三峰线,所述h板面与所述i板面形成四峰线,所述i板面与所述j板面形成四谷线。
[0007]
优选地,所述第二面板的第一层板包括依次相邻的a'板面、b'板面、c'板面、d'板面、e'板面;所述第二面板的第二层板包括依次相邻的f'板面、g'板面、h'板面、i'板面、j'板面;所述a'板面与所述b'板面形成五峰线,所述b'板面与所述c'板面形成五谷线,所述c'板面与所述d'板面形成六谷线,所述d'板面与所述e'板面形成六峰线,所述f'板面与所述g'板面形成七峰线,所述g'板面与所述h'板面形成七谷线,所述h'板面与所述i'板面形成八谷线,所述i'板面与所述j'板面形成八峰线。
[0008]
优选地,所述a板面与所述f板面形成九峰线,所述b板面与所述g板面形成九谷线,所述c板面与所述h板面形成十峰线,所述d板面与所述i板面形成十谷线,所述e板面与所述j板面形成十一峰线;所述a'板面与所述f'板面形成十二峰线,所述b'板面与所述g'板面形成十一谷线,所述c'板面与所述h'板面形成十三峰线,所述d'板面与所述i'板面形成十二谷线,所述e'板面与所述j'板面形成十四峰线。
[0009]
优选地,所述顶部缓冲板与底部缓冲板所用材料为塑料材料、树脂材料、金属材料、尼龙材料中的一种。
[0010]
优选地,所述折叠缓冲吸能功能模块组采用折叠方法制作时,先在材料上刻画折纸结构单元的折痕,然后根据折痕折叠出相应的折纸结构单元,再进行拼接,拼接使用粘合剂进行。
[0011]
优选地,所述折叠缓冲吸能功能模块组通过3d打印、冲压和模具浇筑中的一种加工方式制成。
[0012]
优选地,所述折叠缓冲吸能功能模块组采用的材料为金属为铝、钢、钛、铜、黄铜、纤维增强复合材料、芳纶纸、树脂材料、卡夫纸、碳纤维材料中的一种,适宜用于加工薄壁结构的材料均可。
[0013]
优选地,所述顶部缓冲板和底部缓冲板分别与折叠缓冲吸能功能模块组固定连接方法为胶粘剂连接、焊接、螺栓连接中的一种。
[0014]
有益效果:
[0015]
本发明具有如下有益效果:
[0016]
本发明的基于折纸结构的缓冲吸能装置引入了一种折纸结构,折纸结构的几何构型与整体机械性能具有紧密联系,因此该缓冲吸能装置可以通过改变几何参数来获得不一样的力学性能,具有传统吸能缓冲装置所没有的设计自由度,应用范围广,制造多元,以及
可使用制作材料范围广。并且此折纸结构构成的折叠缓冲吸能功能模块组让本装置获得较低的初始峰值应力以及在被冲击时运动轨迹相对稳定合理。
附图说明
[0017]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]
图1为本发明基于折纸结构的缓冲吸能装置整体示意图;
[0019]
图2本发明中折叠缓冲吸能功能模块组范例图;
[0020]
图3本发明中三层八开口构型折叠缓冲吸能功能模块组三视图;
[0021]
图4本发明中折纸结构单元折痕图;
[0022]
图5本发明中折纸结构单元几何参数示意图;
[0023]
图6本发明中折纸结构单元折叠运动图;
[0024]
图7为本发明中第一面板用于展示板面的示意图;
[0025]
图8为本发明中第一面板用于展示折线的示意图;
[0026]
图9为本发明中第二面板用于展示板面的示意图;
[0027]
图10为本发明中第二面板用于展示折线的示意图;
[0028]
图11为整体动能回弹率时程曲线图;
[0029]
图12为应力应变曲线图。
[0030]
附图标记说明:101-顶部缓冲板、102-底部缓冲板、2-折叠缓冲吸能功能模块组、201-折纸结构单元、21-第一面板、22-第二面板、211-第一面板的第一层板、212-第一面板的第二层板、221-第二面板的第一层板、222-第二面板的第二层板、301-a板面、302-b板面、303-c板面、304-d板面、305-e板面、306-f板面、307-g板面、308-h板面、309-i板面、310-j板面、3011-a'板面、3021-b'板面、3031-c'板面、3041-d'板面、3051-e'板面、3061-f'板面、3071-g'板面、3081-h'板面、3091-i'板面、3101-j'板面、401-一峰线、402-二峰线、403-三峰线、404-四峰线、405-五峰线、406-六峰线、407-七峰线、408-八峰线、409-九峰线、410-十峰线、411-十一峰线、412-十二峰线、413-十三峰线、414-十四峰线、501-一谷线、502-二谷线、503-三谷线、505-四谷线、505-五谷线、506-六谷线、507-七谷线、508-八谷线、509-九谷线、510-十谷线、511-十一谷线、512-十二谷线。
具体实施方式
[0031]
下面将结合实施例对本发明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。
[0032]
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。
[0033]
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。此外,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。
[0034]
实施例1
[0035]
一种基于折纸结构的缓冲吸能装置,包括顶部缓冲板101,折叠缓冲吸能功能模块组2,底部缓冲板102,折叠缓冲吸能功能模块组2位于顶部缓冲板101与底部缓冲板102之间,顶部缓冲板101与折叠缓冲吸能功能模块组2采用固定连接,底部缓冲板102与折叠缓冲吸能功能模块组2采用固定连接,折叠缓冲吸能功能模块2由折纸结构单元201构成,相邻折纸结构单元之间面板重复部分固定连接。此折叠缓冲吸能功能模块采用的折纸结构具有丰富的可重组性,多个单元可按一定规律组合成不同整体,还可通过改变折纸单元的几何参数满足不同的使用需求。
[0036]
(1)应依据实际需要设计该折纸结构单元的几何构型,首先确定折纸结构单元的几何参数,如角度α,单层高度h,厚度t,以及m,r等等参数,再确定单元的层数,并且确定相应的组合排列规律,折纸结构单元的层数,组合排列必须不影响折叠缓冲吸能功能模块组的正常运动模式。
[0037]
(2)应依据实际需要选用折叠缓冲吸能功能模块组,顶部缓冲板,底部缓冲板的材料,选用材料时应考虑材料间的摩擦系数,还有不同材料间拼接的效果。只要不影响使用材料类型不受限。
[0038]
(3)选择折叠缓冲吸能功能模块组的制作方法,按需求选用例如折叠,3d打印等制作方法,并且只要不影响使用制作方法不受限。
[0039]
(4)制作完成折叠缓冲吸能功能模块组后,可选用胶粘剂,焊接以及螺栓连接等方法将折叠缓冲吸能功能模块组与顶部缓冲板和底部缓冲板拼接,形成固定连接,具体拼接方法不受限。若使用3d打印等一体化制作方法将顶部缓冲板、底部缓冲板与折叠缓冲吸能功能模块组进行一体化制作,则可以忽略此步骤,类似的方法还有模具浇筑等等,此处不一一列举。
[0040]
(5)将本发明固定于使用场景的合理位置,进行使用,固定方法可以使用胶黏剂,螺栓,焊接等方式固定本装置,固定方法不受限,但不能影响本装置的正常使用。
[0041]
为了详细展示本发明的具体结构,请参考图1-9,折纸结构单元包括第一面板21和第二面板22,第一面板21和第二面板22均由两个层板组成,第一面板的每一层板包括五个板面,第二面板的每一层板包括五个板面,相邻的两个板面非共面并在连接处形成折线。
[0042]
第一面板的第一层板211包括依次相邻的a板面301、b板面302、c板面303、d板面304、e板面305,第一面板的第二层板212包括依次相邻的f板面306、g板面307、h板面308、i板面309、j板面310,a板面301与b板面302形成一谷线501,b板面302与c板面303形成一峰线
401,c303板面与d板面304形成二峰线402,d板面304与e板面305形成二谷线502,f板面306与g板面307形成三谷线503,g板面307与h板面308形成三峰线403,h板面308与i板面309形成四峰线404,i板面309与j板面310形成四谷线504。
[0043]
第二面板的第一层板221包括依次相邻的a'板面3011、b'板面3021、c'板面3031、d'板面3041、e'板面3051;第二面板的第二层板222包括依次相邻的f'板面3061、g'板面3071、h'板面3081、i'板面3091、j'板面3101;a'板面3011与b'板面3021形成五峰线405,b'板面3021与c'板面3031形成五谷线505,c'板面3031与d'板面3041形成六谷线506,d'板面3041与e'板面3051形成六峰线406,f'板面3061与g'板面3071形成七峰线407,g'板面3071与h'板面3081形成七谷线507,h'3081板面与i'板面3091形成八谷线508,i'板面3091与j'板面3101形成八峰线408。
[0044]
a板面301与f板面306形成九峰线409,b板面302与g板面307形成九谷线509,c板面303与h板面308形成十峰线410,d板面304与i板面309形成十谷线510,e板面305与j板面310形成十一峰线411;a'板面3011与f'板面3061形成十二峰线412,b'板面3021与g'板面3071形成十一谷线511,c'板面3031与h'板面3081形成十三峰线413,d'板面3041与i'板面3091形成十二谷线512,e'板面3051与j'板面3101形成十四峰线414。
[0045]
其中折痕(或者称折线):是折痕图上的线性要素,折叠围绕其发生,折痕分为峰线与谷线,其中峰线是向外折叠的折痕,通常对应负的折叠角,谷线是向内折叠的折痕,通常对应正的折叠角,其中折叠角为折叠面偏离水平面的角度。
[0046]
其中图2分别是三层四开口构型的折叠缓冲吸能功能模块组和三层八开口构型的折叠缓冲吸能功能模块组。
[0047]
试验分析:
[0048]
请参阅图11所示的整体动能回弹率时程曲线图,35.177mm高的以1.21mm厚橡胶为材料的本装置携重物共同以5m/s初速度冲击刚性板的数值模拟结果;
[0049]
请参阅图12所示的应力应变曲线图,35.177mm高的以0.3mm厚铝板为材料的本装置进行准静态压缩的数值模拟结果。
[0050]
本发明具有如下有益效果:
[0051]
(1)本发明的核心是引入了一种折纸结构,折纸结构的几何构型与整体机械性能具有紧密联系,因此该缓冲吸能装置可以通过改变几何参数来获得不一样的力学性能,具有传统吸能缓冲装置所没有的设计自由度。并且此折纸结构构成的折叠缓冲吸能功能模块组让本装置获得较低的初始峰值应力以及在被冲击时运动轨迹相对稳定合理。
[0052]
(2)本发明具有轻质,高比吸能,安装方便的特点,不需要复杂的安装工序就可以投入使用,且不会因为质量过大给使用带来负面影响。
[0053]
(3)本发明具有应用范围广的特点,因为构造简单,安装方便,可以运用在多个领域,多个场景,无论是低速还是高速的应用场景,例如从高速收费站的防护到鞋中底结构的设计都可以考虑使用本发明来实现缓冲吸能的目的。
[0054]
(4)本发明还有制造方法多元的特点,例如,可以使用折叠的方法来完成折叠缓冲吸能功能模块组,该方法成本低,且操作简单,也可以使用3d打印的方法制造折叠缓冲吸能功能模块组,使我们可以便捷的制作各种几何参数不同的折叠缓冲吸能功能模块组,还可以运用3d打印以及模具浇筑等一体化制造的方法将整个装置包含缓冲板与折叠缓冲吸能
功能模块组一体化制造出来,并且只要不影响使用,制造的方法并不受限,多元的制造方法也能更好的贴合社会的需求。
[0055]
(5)本发明还有可选用材料范围广的特点,本发明可以使用多种材料制作,不同的材料可以提供不同的力学性能,可选用材料范围广的特点还能给本装置的制造提供方便。
[0056]
(6)本发明还能通过调整几何参数以及选用合适的材料,提供良好的动能回弹率,这使其在运动用品市场也具有较大的应用潜力。
[0057]
应用范例:
[0058]
(1)将本发明安装于高速公路收费站收费室的外墙,将底部缓冲板用螺栓固定,顶部缓冲板朝向车辆可能失控冲来的方位,此时本发明应用于大质量的车辆可能高速冲击的场景,因此选择底部缓冲板、顶部缓冲板以及折叠缓冲吸能功能模块组的材料时必须选择有足够的强度的材料,通过产生塑性变形来抵消车辆高速撞击产生的巨大动能从而获得缓冲吸能的效果,保护人民的生命财产安全。
[0059]
(2)可将本发明运用于运输业,运用于易碎品的运输,传统的快递运输使用塑料等非环保材料对易碎品进行保护,可选用纸板等的材料运用折叠的方法制作本缓冲吸能装置,既能起到缓冲吸能保护易碎品的作用,也能重复使用助力环境保护。
[0060]
(3)将本发明运用于鞋的中底结构,本发明引入了一种折纸结构,折纸结构的几何构型与整体机械性能具有紧密联系,将本装置用于鞋的中底结构,既能起到缓冲吸能的作用,还可以通过改变折纸结构单元的几何参数,层数,组合排列方式来获得多元的力学性能,不过在此应用场景选用选择底部缓冲板、顶部缓冲板以及折叠缓冲吸能功能模块组的材料时必须考虑材料的回弹性能。
[0061]
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。
技术特征:
1.一种基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,包括顶部缓冲板、折叠缓冲吸能功能模块组和底部缓冲板,所述折叠缓冲吸能功能模块组位于所述顶部缓冲板与所述底部缓冲板之间,所述顶部缓冲板与所述折叠缓冲吸能功能模块组采用固定连接,所述底部缓冲板与所述折叠缓冲吸能功能模块组采用固定连接,所述折叠缓冲吸能功能模块由折纸结构单元构成,相邻折纸结构单元之间固定连接。2.根据权利要求1所述的基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,所述折纸结构单元包括第一面板和第二面板,所述第一面板和所述第二面板均由两个层板组成,所述第一面板的每一层板包括五个板面,所述第二面板的每一层板包括五个板面,相邻的两个所述板面非共面并在连接处形成折线。3.根据权利要求2所述的基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,所述第一面板的第一层板包括依次相邻的a板面、b板面、c板面、d板面、e板面,所述第一面板的第二层板包括依次相邻的f板面、g板面、h板面、i板面、j板面,所述a板面与所述b板面形成一谷线,所述b板面与所述c板面形成一峰线,所述c板面与所述d板面形成二峰线,所述d板面与所述e板面形成二谷线,所述f板面与所述g板面形成三谷线,所述g板面与所述h板面形成三峰线,所述h板面与所述i板面形成四峰线,所述i板面与所述j板面形成四谷线。4.根据权利要求3所述的基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,所述第二面板的第一层板包括依次相邻的a'板面、b'板面、c'板面、d'板面、e'板面;所述第二面板的第二层板包括依次相邻的f'板面、g'板面、h'板面、i'板面、j'板面;所述a'板面与所述b'板面形成五峰线,所述b'板面与所述c'板面形成五谷线,所述c'板面与所述d'板面形成六谷线,所述d'板面与所述e'板面形成六峰线,所述f'板面与所述g'板面形成七峰线,所述g'板面与所述h'板面形成七谷线,所述h'板面与所述i'板面形成八谷线,所述i'板面与所述j'板面形成八峰线。5.根据权利要求4所述的基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,所述a板面与所述f板面形成九峰线,所述b板面与所述g板面形成九谷线,所述c板面与所述h板面形成十峰线,所述d板面与所述i板面形成十谷线,所述e板面与所述j板面形成十一峰线;所述a'板面与所述f'板面形成十二峰线,所述b'板面与所述g'板面形成十一谷线,所述c'板面与所述h'板面形成十三峰线,所述d'板面与所述i'板面形成十二谷线,所述e'板面与所述j'板面形成十四峰线。6.根据权利要求1所述的基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,所述顶部缓冲板与底部缓冲板所用材料为塑料材料、树脂材料、金属材料、尼龙材料中的一种。7.根据权利要求1所述的基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,所述折叠缓冲吸能功能模块组采用折叠方法制作时,先在材料上刻画折纸结构单元的折痕,然后根据折痕折叠出相应的折纸结构单元,再进行拼接,拼接使用粘合剂进行。8.根据权利要求1所述的基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,所述折叠缓冲吸能功能模块组通过3d打印、冲压和模具浇筑中的一种加工方式制成。9.根据权利要求1所述的基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,所述折叠缓冲吸能功能模块组采用的材料为金属为铝、钢、钛、铜、黄铜、纤维增强复合材料、芳纶纸、树脂材料、卡夫纸、碳纤维材料中的一种。10.根据权利要求1所述的基于折纸结构的缓冲吸能装置,其特征在于,所述顶部缓冲
板和底部缓冲板分别与折叠缓冲吸能功能模块组固定连接方法为胶粘剂连接、焊接、螺栓连接中的一种。
技术总结
本发明涉及缓冲吸能装置技术领域,尤其是涉及一种基于折纸结构的缓冲吸能装置,包括顶部缓冲板、折叠缓冲吸能功能模块组和底部缓冲板,所述折叠缓冲吸能功能模块组位于所述顶部缓冲板与所述底部缓冲板之间,所述顶部缓冲板与所述折叠缓冲吸能功能模块组采用固定连接,所述底部缓冲板与所述折叠缓冲吸能功能模块组采用固定连接,所述折叠缓冲吸能功能模块由折纸结构单元构成,相邻折纸结构单元之间固定连接。发明可以通过改变几何参数来获得不一样的力学性能,具有传统吸能缓冲装置所没有的设计自由度。并且此折纸结构构成的折叠缓冲吸能功能模块组让本装置获得较低的初始峰值应力以及在被冲击时运动轨迹相对稳定合理。以及在被冲击时运动轨迹相对稳定合理。以及在被冲击时运动轨迹相对稳定合理。
技术研发人员:李哲健 王凌峰 何远鹏
受保护的技术使用者:广州大学
技术研发日:2023.06.27
技术公布日:2023/10/7

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