CN113738802B - 一种梯度压扭储能减振结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度压扭储能减振结构，压扭单胞能够在受到载荷时将载荷方向发生旋转，多个压扭单胞阵列设置构成一层储能减振单元，多层储能减振单元依次叠加设置构成梯度压扭储能减振结构；压扭单胞从上至下依次包括上面板，压扭结构，下面板和底板，压扭结构包括多个，多个压扭结构叠加设置在上面板和下面板之间。本发明实现了将冲击能量转化为结构自身转动能量和配重转动能量，大幅提高了传统结构的吸能效率，同时结构在旋转过程中可以通过传动手段进一步吸收转动能量，并且结构可设计性强，可通过提高单胞的斜杆数量来提高结构的刚度和强度，使其具有更广的应用空间。

Description

一种梯度压扭储能减振结构

技术领域

本发明属于机械超材料技术领域，具体涉及一种梯度压扭储能减振结构。

背景技术

自21世纪初期以来，超材料已经逐渐发展为新兴材料技术中一个重要的分支。超材料是一种通过设计材料内部微观结构从而认为控制材料的各种性能以获得预期的功能。目前超材料在声学方面，光学方面，热传导方面，吸能耗能方面等都展现出了杰出的优势，在航空航天领域，生物医疗领域，能源动力领域，交通运输领域等发挥着至关重要的作用。

超材料的设计可总结为“单胞设计+单胞组合”的方式，其中单胞可理解为超材料的微观结构中的最小单元，而整体的超材料则是由数个单胞排列组合而成，有些时候还需对这些单胞的具体参数进行梯度设计以及预加缺陷用于实现理想的功能。

目前超材料在减振方面有着诸多应用，并且表现出不错的性能，解决了传统减振器的尺寸无法复杂设计的缺陷，同时提供了密度更低的解决方案。但是目前减振超材料多集中于使用粘弹性材料进行超材料的设计，使振动过程中的能量在粘弹性耗散中转化为内能，减振能力和效率有待提高。

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，提供一种梯度压扭储能减振结构，突破传统减振超材料设计中的思维定式，将冲击及振动的能量不仅转化为内能，将其进一步转化为质量块的动能，同时结合压扭效应、材料粘弹性特性以及超材料的结构设计方法，将能量转变为内能和动能，进一步提高了整体结构的减振效率。同时，梯度化的设计逐步提高了结构组件的扭转速度，可将部分冲击动能加速转化为配重元件的旋转动能，并实现能量的回收和存储。

本发明采用以下技术方案：

一种梯度压扭储能减振结构，包括压扭单胞，压扭单胞能够在受到载荷时将载荷方向发生旋转，多个压扭单胞阵列设置构成一层储能减振单元，多层储能减振单元依次叠加设置构成梯度压扭储能减振结构；

压扭单胞从上至下依次包括上面板，压扭结构，下面板和底板，压扭结构包括多个，多个压扭结构叠加设置在上面板和下面板之间。

具体的，多层压扭结构采用梯度化结构设置，相邻两层压扭结构之间分别通过中间杆与边缘杆连接。

进一步的，中间杆与边缘杆所成的夹角θ自上而下递减设置。

具体的，底板与下面板之间通过轴承连接。

进一步的，轴承与下面板和底板之间为过盈配合连接。

具体的，压扭结构与下面板之间设置有配重。

进一步的，配重与下面板之间，以及压扭结构与下面板之间采用活动方式连接，或为一体成型结构。

具体的，上面板与压扭结构活动连接，或为一体成型结构。

具体的，压扭结构至少包括5层。

具体的，压扭单胞为正方形、圆形或六边形结构。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种梯度压扭储能减振结构，将具有压扭效应的手性单胞引入减振领域，使用超弹性或高弹性材料保证结构可重复多次使用，通过配重和轴承的组合以及单胞的几何结构设计可实现不同刚度和阻尼下的减振需求，并通过尺寸的变化也可提高减振吸能效率。对比传统的阻尼器，该发明的梯度压扭储能减振结构拥有密度低，减振能力强，形状可自定义的优势；对比新兴的减振超材料，该发明的梯度压扭储能减振结构在结构杆件压缩和扭转变形吸能的同时将外界的额外冲击动能转化为结构中配重元件的转动动能，并将配重的转动动能储存起来，也可使用齿轮将转动动能传递转化为电能，或增加扭转弹簧储存转动动量，结构在保证低密度的前提下进一步提高了减振效率，是一种极具前景的压扭减振超材料的设计思路。

进一步的，梯度化结构设计可以在冲击过程中逐步提高结构强度，延长冲击缓冲时间，降低冲量，提高结构缓冲能力。

进一步的，中间杆与边缘杆所成的夹角自上而下递减设置可以为结构提供梯度力学性能，使冲击过程中夹角较小的部分优先发生变形，从而给夹板的旋转提供加速度，使其动能增加，储能增加，提高结构吸能能力。

进一步的，底板与下面板之间通过轴承连接可尽可能减小由于摩擦力导致的动能损耗，有利于进一步将转动转化为其他能量的形式储存起来。

进一步的，配重与下面板的连接使用螺栓或过盈配合可保证其连接强度，避免在冲击过程中结构失效。

进一步的，合理设置配重可提高转动过程中结构的储能，进一步提高结构吸能能力。

进一步的，当结构尺寸较大时，配重与下面板之间，以及压扭结构与下面板之间可采用活动强度连接以保证结构强度，当结构尺寸较小时，可以采用一体成型结构设以提高组装效率，减小制作成本。

进一步的，当结构尺寸较大时，上面板与压扭结构可以采用活动连接以保证冲击过程中不会失效，当结构尺寸较小时，可采用一体成型结构以减少零件数量，提高制作效率。

进一步的，压扭结构至少应设置多层，以保证底板和配重有加速过程，从而对实现底板和配重的速度递进，提高吸能效果。

进一步的，压扭单胞的形状可结合实际需求设计为正方形、圆形或六边形结构，结构的边越多其对应的支撑杆就更多，更多的支撑杆可以提高结构的刚度和强度，使其应用在不同的应用工况下。

综上所述，本发明实现了将冲击能量转化为结构自身转动能量和配重转动能量，大幅提高了传统结构的吸能效率，同时结构在旋转过程中可以通过传动手段进一步吸收转动能量，并且结构可设计性强，可通过提高单胞的斜杆数量来提高结构的刚度和强度，使其具有更广的应用空间。

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为本发明的梯度压扭储能减振结构示意图；

图2为本发明的梯度压扭储能减振结构中压扭单胞结构示意图，其中；

图3为本发明的梯度压扭储能减振结构引用不同压扭结构的2种结构示意图，其中，(a)为六边形变结构梯度设计；(b)为圆筒形变结构梯度设计；(c)为六边形多稳态扭转设计。

图4为本发明的梯度压扭储能减振结构在冲击载荷作用下冲击物体的加速度随时间变化曲线。

其中：1.整体结构；2.压扭单胞；3.上面板；4.压扭结构；5.配重；6.下面板； 7.轴承；8.底板。

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。

本发明提供了一种梯度压扭储能减振结构，通过配重和轴承的组合可设计转动惯量的大小，通过单胞的几何结构设计可实现不同刚度和阻尼下的减振需求，单胞具体结构参数的梯度设计也可实现底板转动速度的调控，将部分冲击动能转化为配重元件的转动动能，并实现能量的回收和存储；在结构杆件压缩和扭转变形吸能的同时将外界的额外冲击动能加速转化为结构中配重元件的转动动能，并将配重的转动动能储存起来，通过齿轮将动能引出转化为电能，也可增加扭簧储存转动能量，该结构在保证低密度的前提下进一步提高了减振效率，是一种极具前景的压扭减振超材料的设计思路。本发明实现压扭储能结构的混杂复合设计，所得的这种压扭储能结构同时具有高可靠重复使用、缓冲能力强的特点，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。

请参阅图1，本发明一种梯度压扭储能减振结构，通过压扭单胞2阵列设置构成整体结构1；结构在受到载荷时，将载荷方向发生旋转的行为称为压扭效应，具有压扭效应的结构被称为压扭结构，由于本发明中压扭结构作为单胞阵列使用，所以这里称其为压扭单胞。

请参阅图2，压扭单胞2包括上面板3，压扭结构4，配重5，下面板6，轴承7和底板8，其中上面板3，压扭结构4，配重5以及下面板6相互固连，轴承 7连接下面板6和底板8。

上面板3与压扭结构4之间通过螺钉或者卡扣连接，或使用增材制造技术或传统机加工技术一体成型制造。

压扭结构4与下面板6的连接根据尺寸的不同使用螺栓连接或采用一体成型制备。

配重5与下面板6的连接方式根据实际需求的不同使用螺栓连接或采用一体成型制备。

轴承7与下面板6和底板8的连接采用过盈配合方式进行连接。

上面板3，下面板6以及底板8根据实际单胞阵列的数量直接成型为阵列后的几何构型。

例如：单胞沿XY平面各阵列3个，则上面板3，下面板6和底板8需沿XY 平面各阵列3个，形成3X3的结构后直接加工成型。

压扭结构4包括多层，每层压扭结构4之间通过中间杆和边缘杆连接(图2 中哪部分是中间杆，哪部分是边缘杆)，在压扭结构4的每层结构中，中间杆与边缘杆所成的锐角为夹角θ，其目的为利用梯度化设计的方法将减速的冲击过程转为加速的配重旋转过程，在设计中从上至下逐层减小，使得结构优先转动θ角大的部分，在下压速度固定的情况下，底板8出现逐层增加的效果，使得附加在底板8上的配重5加速旋转，提高配重5在冲击过程中的将冲击动能转化为旋转动能的转化效率，以提高整体结构的储能效率。

压扭结构4采用梯度化设计方式，图2中压扭结构4共有五层，其中每层中间杆与边缘杆所成的夹角θ自上而下分别为60°，50°，40°，30°，20°，梯度设计可以保证在冲击过程中，压扭结构4的变形从θ最小处开始，从θ最大处结束。其中压扭结构的夹角θ和实际的叠加层数可根据实际需求调整。

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绘制梯度压扭储能减振结构的三维数据模型。上面板为正方形，边长500mm，厚2mm；底板为正方形，边长500mm，厚2mm；下面板为正方形，边长50mm，厚2mm；压扭单胞截面为边长50mm的正方形，高度为100mm，共有5层子结构，每层高20mm，夹角从上而下设计为60°，50°，40°，30°，20°。配重截面为边长50mm的正方形，高度5mm。将绘制好的三维数据模型转换为STL格式导出。

(2)将上一步得到的压扭单胞和下面板的三维数据模型的数据导入到商用模型剖分软件Simplify3D中，以TPU为材料进行设计，打印功率为，打印速度设置为，使用打印机进行加工。

(3)使用商用软件Solid CAM对上面板，底板和配重的三维数据模型进行加工模拟，得到G文件。

(4)使用数控铣床对上面板，底板和配重进行加工，与压扭单胞，配重和下面板组装后得到梯度压扭储能减振结构。

请参阅图3，构成梯度压扭储能减振结构的压扭单胞存在多种形式，图中给出了3种不同形式下的压扭单胞示意图，其中(a)为六边形梯度单胞，六边形相对四边形而言提高了结构的刚度和强度，同时梯度设计选择使用斜杆的厚度来进行设计，斜杆厚度逐层叠加，从而调控不同层的转动次序，(b)为圆形梯度单胞，相对六边形梯度单胞而言，圆形单胞进一步增加了结构刚度和强度的可调控性，可根据实际需求调整斜杆的数量，(c)为双稳态梯度单胞(本结构引入了单胞的多个稳态切换，单胞可以存在两种稳态，并通过外部受力转换。使得结构在冲击过程中内部剧烈振动，消耗更多能量并将其转化为内能和粘弹性耗散能)，每层结构引入双稳态结构，使每层的运动消耗能量更大，从而提高整体结构的减振效果。

请参阅图4，通过使用ABAQUS对压扭单胞进行动态计算分析，得到在底板固定的情况下，单个压扭单胞可以在0.5s内将80000N的冲击力减少到20000N，具有良好的减振缓冲特性。

综上所述，本发明一种梯度压扭储能减振结构，结合压扭效应与合适的梯度化结构设计，具备良好的减振缓冲特性，并可实现多次重复使用；压扭单胞的可设计性强，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。

Claims (7)

1.一种梯度压扭储能减振结构，其特征在于，包括压扭单胞(2)，压扭单胞(2)能够在受到载荷时将载荷方向发生旋转，多个压扭单胞(2)阵列设置构成一层储能减振单元，多层储能减振单元依次叠加设置构成梯度压扭储能减振结构；压扭单胞(2)从上至下依次包括上面板(3)，压扭结构(4)，下面板(6)和底板(8)，压扭结构(4)包括多个，多个压扭结构(4)叠加设置在上面板(3)和下面板(6)之间，压扭结构(4)与下面板(6)之间设置有配重(5)，多层压扭结构(4)采用梯度化结构设置，压扭结构(4)至少包括5层，相邻两层压扭结构(4)之间分别通过中间杆与边缘杆连接。

2.根据权利要求1所述的梯度压扭储能减振结构，其特征在于，中间杆与边缘杆所成的夹角θ自上而下递减设置。

3.根据权利要求1所述的梯度压扭储能减振结构，其特征在于，底板(8)与下面板(6)之间通过轴承(7)连接。

4.根据权利要求3所述的梯度压扭储能减振结构，其特征在于，轴承(7)与下面板(6)和底板(8)之间为过盈配合连接。

5.根据权利要求1所述的梯度压扭储能减振结构，其特征在于，配重(5)与下面板(6)之间，以及压扭结构(4)与下面板(6)之间采用活动方式连接，或为一体成型结构。

6.根据权利要求1所述的梯度压扭储能减振结构，其特征在于，上面板(3)与压扭结构(4)活动连接，或为一体成型结构。

7.根据权利要求1所述的梯度压扭储能减振结构，其特征在于，压扭单胞(2)为正方形、圆形或六边形结构。

Images