基于卷纸结构的梯度吸能结构及制备方法

1.本发明涉及一种基于卷纸结构的梯度吸能结构及制备方法，属于冲击吸能结构技术领域。


背景技术：

2.在当今陆运，海运以及空运等交通运输手段日益发达的时代，人们享受着汽车，火车，轮船，飞机等高速运载工具带来的便利的同时，有时也不可避免的在享受旅途的便利中遭遇到交通事故的发生。因此，如何运用科学的手段，将碰撞冲击造成的伤害损失减至最小已经成为社会上重点关注的问题。为此，在撞击过程中通过结构自身的变形如屈曲、断裂等耗散或者吸收碰撞冲击的能量，可以减少对人的损伤以及财产的损失。吸能结构在航空航天、火车、船舶等领域均涉及其应用。
3.针对吸能装置的设计，需要满足最大载荷低、结构的变形稳定以及重量轻成本低等要求。目前使用较多的有圆管结构以及金属泡沫材料等。但是金属泡沫材料存在缺陷多、加工成本高等缺点，限制了其在工业上的应用。随着碰撞安全标准的提高，传统的吸能元件已然不能满足日益严苛的耗能要求。如何开发新型的吸能结构使非常有必要的。


技术实现要素：

4.本发明目的之一是提供了一种基于卷纸结构的梯度吸能结构，通过结构的合理设计卷纸结构之家缝隙，实现了结构的高性能吸能，并通过梯度卷曲的方法解决了较低最大载荷和稳定吸能的难题。
5.本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
6.一种基于卷纸结构的梯度吸能结构，包括多个卷纸单元层层叠加螺旋卷曲而成，卷纸单元包括外卷纸以及内卷纸构成二层结构或外卷纸、至少一个中间卷纸和内卷纸构成的多层结构，每个卷纸单元由外向内的卷纸展开宽度依次减少，且相邻两层卷纸之间形成狭缝。
7.上述基于卷纸结构的梯度吸能结构基础上，外卷纸、中间卷纸和内卷纸均为铝材质，密度为2.7g/cm3，模量为72000mpa，厚度为0.5～5mm。
8.上述基于卷纸结构的梯度吸能结构基础上，外卷纸、中间卷纸和内卷纸宽度比为(40-50)：(35-43)：10。
9.上述基于卷纸结构的梯度吸能结构基础上，其横截面形状为圆形、三角形以及花瓣形。
10.本发明另一目的是提供了一种基于卷纸结构的梯度吸能结构制备方法。
11.本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
12.一种基于卷纸结构的梯度吸能结构制备方法，包括以下步骤：
13.(1)将薄片裁剪为宽度不同的薄条；
14.(2)将多条不同宽度的薄条底部对齐形成一边厚一边薄多个卷纸单元，并将卷纸
单元层层叠加；
15.(3)从一端开始，进行卷曲，保证底部厚的一侧紧密贴合，即得所述基于卷纸结构的梯度吸能结构，卷纸结构的松紧度用以下公式描述：松紧度＝卷纸材料的体积/卷纸结构的宏观体积，卷纸结构的松紧度应保持在90％以上。
16.本发明的优点在于：
17.本发明一种基于卷纸结构的梯度吸能结构及制备方法，由多种不同的薄片交叉镶嵌卷曲而成。由于宽窄不同薄片底部相连，故在上层的相邻两层卷曲薄片之间形成狭缝，狭缝的尺寸与每层薄片的宽度相当，而且狭缝的高度可根据每一种薄片的宽度进行调节。通过上述技术方案，利用卷曲薄片结构在冲击载荷下的压溃吸收冲击能量。并且由于梯度结构的设计，可以有效控制结构吸能的最低压溃阈值，增加能量吸收,在设计方面具有更多的可调参数，包括结构参数以及薄片类型，可根据实际工况需求进行相应调节。结构简单，易于制造。
附图说明
18.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
19.图1为本发明基于卷纸结构的梯度吸能结构的示意图；
20.图2为单个元胞剖面图；
21.图3为制备过程图；
22.图4为本发明卷纸吸能结构三个实施例的压缩曲线示意图；
具体实施方式
23.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，所描述的实施例仅仅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。
24.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。
25.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。
26.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。
27.请参阅图1和图2，本发明提供了一种基于卷纸结构的梯度吸能结构，包括多个卷纸单元层层叠加螺旋卷曲而成，卷纸单元包括外卷纸1以及内卷纸4构成二层结构或外卷纸1至少一个中间卷纸和内卷纸4构成的多层结构，每个卷纸单元由外向内的卷纸展开宽度依次减少，且相邻两层卷纸之间形成狭缝。卷纸结构的层数以及每一层的厚度根据实际需要进行选择。结构的卷曲形状与加工方式有关，通过不断地折叠以及弯曲等方式，可以根据不同的工程需求，制备不同形状的结构如圆形、三角形以及花瓣形。
28.参阅图3，一种基于卷纸结构的梯度吸能结构制备方法，包括以下步骤：
29.(1)将薄片裁剪为宽度不同的薄条；
30.(2)将多条不同宽度的薄条底部对齐形成一边厚一边薄多个卷纸单元，并将卷纸单元层层叠加；
31.(3)从一端开始，进行卷曲，保证底部厚的一侧紧密贴合，卷纸结构的松紧度用以下公式描述：松紧度＝卷纸材料的体积/卷纸结构的宏观体积，为保证结构的稳定性，卷纸结构的松紧度应保持在90％以上。此时，在结构上部即可出现随着高度增加而变薄的卷纸结构，即得所述基于卷纸结构的梯度吸能结构。
32.实施例1
33.实施例用铝作为薄片材料，密度为2.7g/cm3，模量为72000mpa，铝片厚度为0.5mm.
34.实施例结构尺寸：使用两种宽度的薄片进行设计，其中外卷纸1为宽薄片宽度为50mm，内卷纸4为窄薄片宽度为10mm。
35.实施例2
36.实施例用铝作为薄片材料，密度为2.7g/cm3，模量为72000mpa，铝片厚度为0.5mm.
37.实施例结构尺寸：使用三种宽度的薄片进行设计，其中外卷纸1宽度为50mm，中间卷纸宽度为40mm，内卷纸4宽度为10mm。
38.实施例3
39.实施例用铝作为薄片材料，密度为2.7g/cm3，模量为72000mpa，铝片厚度为0.5mm.
40.实施例结构尺寸：使用四种宽度的薄片进行设计，其中外卷纸1宽度为50mm，第一中间卷纸2宽度为43mm，第二中间卷纸3宽度为35mm，内卷纸4宽度为10mm。
41.采用以上材料和结构尺寸进行建模和有限元仿真计算，给出了三种实施例之间在准静态压缩情况下的应力位移曲线对比如下：
42.请参阅图4，其中黑色实线表示实施例1两层梯度的应力-位移曲线，黑色虚线表示实施例2三层梯度的应力-位移曲线，黑色点线表示实施例3四层梯度的应力-位移曲线。从图中可以看出，三种结构具有不同的压溃方式。具体表现如下：
43.实施例1的屈服强度为125mpa，平台应力在60mpa左右，在整个压缩过程中几乎不变。
44.实施例2的屈服强度为60mpa，第一阶段的平台应力在50mpa左右，压缩位移到10mm左右时发生强化，平台应力增加到60mpa左右。
45.实施例3的屈服强度为50mpa，第一阶段的平台应力在30mpa左右，压缩位移到7mm
左右时发生强化，第二阶段的平台应力增加到50mpa左右，当压缩位移到12mm左右时发生二次强化，平台应力增加到70mpa。
46.结果表明，通过不同梯度的设计，可以实现结构的压溃曲线的设计，从而实现不同吸能效果。结构设计方便，制备容易。
47.根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果如下：
48.1、本发明的仿真计算结果表明具有良好的冲击吸能能力；
49.2、本文提出结构使用的材料为金属或非金属薄片，材料易得；
50.3、本文提出吸能结构简单，加工方便；
51.4、本文提出吸能结构在可设计性方面相较于常规吸能材料具有很大优势；
52.5、通过改变卷纸结构参数以及材料种类可以改变整体结构的吸能性能，适应不同场合下的要求。
53.综上所述，本发明一种基于卷纸结构的梯度吸能结构及制备方法，可用于制造飞机、高速列车以及汽车等的吸能装置，通过材料的选择以及结构的设计实现能量吸收曲线的连续可调增强结构安全性以及人体舒适性，具有很广泛的工程应用前景。
54.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于卷纸结构的梯度吸能结构，其特征在于，包括多个卷纸单元层层叠加螺旋卷曲而成，卷纸单元包括外卷纸（1）以及内卷纸（4）构成二层结构或外卷纸（1）、至少一个中间卷纸和内卷纸（4）构成的多层结构，每个卷纸单元由外向内的卷纸展开宽度依次减少，且相邻两层卷纸之间形成狭缝。2.根据权利要求1所述基于卷纸结构的梯度吸能结构，其特征在于：外卷纸（1）、中间卷纸和内卷纸（4）均为铝材质，密度为2.7 g/cm
³
，模量为72000 mpa，厚度为0.5~5 mm。3.根据权利要求1所述基于卷纸结构的梯度吸能结构，其特征在于：外卷纸（1）、中间卷纸和内卷纸（4）宽度比为（40-50）：（35-43）：10。4.根据权利要求1所述基于卷纸结构的梯度吸能结构，其特征在于：其横截面形状为圆形、三角形以及花瓣形。5.一种权利要求1至4任一项所述基于卷纸结构的梯度吸能结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将薄片裁剪为宽度不同的薄条；（2）将多条不同宽度的薄条底部对齐形成一边厚一边薄多个卷纸单元，并将卷纸单元层层叠加；（3）从一端开始，进行卷曲，保证底部厚的一侧紧密贴合，即得所述基于卷纸结构的梯度吸能结构，卷纸结构的松紧度如下：松紧度=卷纸材料的体积/卷纸结构的宏观体积，且卷纸结构的松紧度应保持在90%以上。

技术总结
本发明提供了一种基于卷纸结构的梯度吸能结构及制备方法，属于冲击吸能结构技术领域，实现了结构的高性能吸能，并解决了较低最大载荷和稳定吸能的难题。基于卷纸结构的梯度吸能结构，包括多个卷纸单元层层叠加螺旋卷曲而成，卷纸单元包括外卷纸以及内卷纸构成二层结构或外卷纸、至少一个中间卷纸和内卷纸构成的多层结构，每个卷纸单元由外向内的卷纸展开宽度依次减少，且相邻两层卷纸之间形成狭缝。制备方法如下：将薄片裁剪为宽度不同的薄条；将多条不同宽度的薄条底部对齐形成一边厚一边薄多个卷纸单元，并将卷纸单元层层叠加；从一端开始，进行卷曲，保证底部厚的一侧紧密贴合，即得所述基于卷纸结构的梯度吸能结构。即得所述基于卷纸结构的梯度吸能结构。即得所述基于卷纸结构的梯度吸能结构。


技术研发人员：卢天健 陈昕 李墨筱 段明宇 沈承 于晨磊 赵龙武 耿振鑫 孟晗 王新 徐超 石亚君 贾祥省 林宇清
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/27