吸能元件以及包括该吸能元件的吸能缓冲器

1.本发明涉及一种振动能量吸收及耗散技术领域，特别涉及一种吸能元件以及包括该吸能元件的吸能缓冲器。


背景技术：

2.新一代航天设计任务对具有轻量化特性的多功能结构的需求越加迫切。一些新的应用场景也为多功能结构提出了新的要求，载人深空探测作业需要可部署和可扩展的多功能结构来作为临时搭建的缓冲吸能装置和设备减振平台；空间站对接、飞行器地外空间着陆等场景，不仅需要轻质结构作为吸能减振器件，还希望这些结构具备可重复使用(受到冲击后不会发生不可逆损坏，可以再次使用)或可回收(即失效后可回收部分元件再次使用)的能力来降低运输成本。
3.因此，设计一种既具有良好的承载性能和较轻的质量，又具备缓冲吸能、减震降噪、可扩展、易修复或可回收等功能性的吸能元件就显得尤为必要。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种吸能元件以及包括该吸能元件的吸能缓冲器，其不但具有较高的承载性能，而且具有较好的能量耗散能力，从而具备较好的缓冲和减振功能。
5.本发明第一方面公开了一种吸能元件，吸能元件包括至少两个结构单元，结构单元为内中空形式的截顶圆锥壳；至少两个结构单元在自身轴线方向上顺次叠加形成层叠的套筒结构，相邻的结构单元的侧围壁之间至少部分环向接触并且重叠，以具有环向重叠界面；结构单元设计成，当外载荷施加到吸能元件后，结构单元能够在相邻结构单元之间环向重叠界面的相互作用力下具有环向的弹性应变，使得相邻结构单元之间能够具有界面滑移，从而借助于界面滑移过程中的摩擦对能量进行耗散。
6.在本发明中，吸能元件由至少两个截顶圆锥壳在轴线方向上顺次层叠形成，使得本发明的吸能元件不但可以继承离散结构的优势，例如元件制备工艺简单，可设计性强，各个离散元件可以分开运输，并根据实际工况组装和部署，还将具备“环向应力主导”结构的特征，即具有高的承载性能。同时，环向重叠界面的存在对裂纹的扩展有较好的阻碍作用，而且由于相邻结构单元之间能够具有界面滑移，使得结构具有较好的能量耗散能力，从而具备较好的缓冲和减振性能。此外，多种机制的结合也为结构带来了可回收性，从而作为可回收多功能器件用于航天等多个领域。
7.此外，本发明的吸能元件实际上是一种“环向应力主导”的套筒式离散结构系统，在其中，每一结构单元作为一个套筒式的离散元件，相邻离散元件之间存在环向重叠界面，这使得当外载荷施加到吸能元件后，结构单元能够在相邻结构单元之间环向重叠界面的相互作用力下具有环向的弹性应变，使得相邻结构单元之间能够具有界面滑移。即，在本发明的吸能元件中，结构整体的轴向变形与结构单元间的界面滑移密切相关，单个结构单元的环向弹性应变决定界面滑移的大小，而环向弹性应变的大小又取决于结构单元间的相互作
用力，这样就使得吸能元件整体形成了一种界面滑移和结构变形相互耦合的机制。基于该机制，当受到冲击或振动载荷时，环形重叠界面的存在使得结构的能量耗散、裂纹扩展和材料损伤等方面的规律与传统的“一体式(也称连续式)”的结构存在明显差异。
8.进一步地，吸能元件设计成，当外载荷超过吸能元件预先确定的临界载荷后，吸能元件中的至少一个结构单元发生塑性变形以耗散载荷施加过程中形成的能量。其中优选地，当外载荷超过吸能元件预先确定的临界载荷后，位于吸能元件最上端和/或最下端的截顶圆锥壳发生塑性变形。即，当外载荷超过吸能元件的临界载荷后，借助于至少一个结构单元的破坏对能量进行耗散。此处的破坏是指毁坏式塑性变形，通过这种塑性变形来“吸收”能量。尽管这种变形是不可逆的，但由于本发明的吸能元件是一种离散结构，即由多个结构单元层叠形成的，因此即使其中一个或多于一个的结构产生不可逆的破坏，也能够被单独更换，而且其它结构单元仍可继续使用。所谓临界载荷是指吸能元件在结构单元未被破坏前所能承受的最大载荷，当超过该临界载荷时，吸能元件的一个或多于一个结构单元会发生塑性变形的破坏。临界载荷能够通过计算而预先确定，在此不做限定。
9.通过上述可知，在本发明中，在外载荷达到吸能元件预先确定的临界载荷之前，吸能元件是借助于因相邻结构单元之间的界面滑移造成的摩擦对此时载荷施加过程中形成的能量进行耗散；而当外载荷超过吸能元件预先确定的临界载荷后，吸能元件是借助于其中结构单元的塑性变形对此时载荷施加过程中形成的能量进行耗散。
10.相对于单个截顶圆锥壳依靠结构局部屈曲、塑性变形等机理吸收能量，本发明所采用的由多个截顶圆锥壳层叠形成的套筒结构在小变形下依靠界面摩擦耗能，达到临界载荷后依靠单个截顶圆锥壳的断裂吸能。而且由于设计成套筒结构，能够分体运输后根据实际工程组装为吸能元件，单个截顶圆锥壳损坏后能够更换，其它结构单元仍可继续使用。
11.进一步地，相邻结构单元间的重叠区段在结构单元轴线方向上的高度超过结构单元自身高度的三分之一。这使得能够在相邻结构单元间形成较大面积的环向重叠界面，一方面能够在初始状态下具有较好的承载性能，另一方面在受到冲击或振动载荷时，能够借助于较大的接触界面提供足够程度的环向弹性变形，以实现较为稳定的界面滑移，从而提供稳定的缓冲性能。
12.进一步地，结构单元设置超过三个，在其中每顺次相邻的三个结构单元中，在上方的结构单元和位于中间的结构单元间的重叠界面与在下方的结构单元和位于中间的结构单元间的重叠界面之间具有重合区域。通过该特征，使得在本发明吸能元件中的结构单元在具有各自离散优点的同时，还能够维持较好的整体协作性。具体地，当受到冲击或振动载荷时，不是仅有靠近受冲击地端部的两个吸能元件实现对振动能量的耗散，而是借助于上述重合区域的存在，使得振动能量能够自上而下的传递，从而使得吸能元件中的每一个结构单元都参与工作，从而实现对振动能量耗散的最优化。此外，由于上述重合区域的存在，使得在初始状态下吸能元件的整体承载性能更优。
13.进一步地，结构单元的锥角大于等于45
°
小于等于85
°
。所谓锥角是指作为截顶圆锥壳的结构单元的侧围壁在大头一端与水平方向的夹角。在优选的实施例中，锥角为70
°
、75
°
或80
°
。
14.进一步地，结构单元由各向同性材料制成。具体地，结构单元由选自下列之一的各向同性材料制成：氧化铝，碳化硅，二硼化钛，碳化硅，氧化铍，氮化硅，钛合金，铝合金，钢
材，聚醚醚酮(peek)，聚酰胺(pa)，聚丙烯(pp)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(petg)，abs材料，pla材料，聚四氟乙烯(ptef)。
15.本发明第二方面还公开了一种吸能缓冲器，吸能缓冲器包括保持器和如上所述的吸能元件，吸能元件设置至少一组，保持器自外侧对吸能元件形成保持。
16.在一个实施例中，保持器为由柔性材料制成的蜂窝状，其包括多个相互排列的蜂窝单元格，每一蜂窝单元格具有至少一个蜂窝单元腔，每一蜂窝单元腔内设置至少一组吸能元件。
17.进一步地，蜂窝单元格为正多边形形状，吸能元件的每一结构单元的大头端外边缘与对应所在的蜂窝单元腔的内壁保持相切接触。借助于结构单元与蜂窝单元腔内壁之间的相切接触，使得当吸能元件对振动荷载能量进行耗散时，自吸能元件吸收的能量一部分能够通过与蜂窝状保持器的接触实现向保持器的传递，即，使得保持器同样能够参与对能量的耗散，从而使得吸能元件与蜂窝状保持器形成具有协同作用的整体式吸能缓冲器。借助于吸能元件与蜂窝状保持器的对能量吸收的叠加作用，使得本发明的吸能缓冲器对能量的耗散能力大大提高。并且，当吸能元件受到径向载荷时，能够借助于结构单元与蜂窝单元腔内壁之间的相切接触对径向振动能量进行耗散。
18.在本发明第一种实施例的吸能缓冲器中，吸能元件安装在蜂窝状的保持器后，在初始状态下，吸能元件至少位于最上端的结构单元部分伸出保持器的蜂窝单元格；当吸能元件受到轴向载荷时，吸能元件的结构单元会因环向重叠界面间的相互作用力产生环向的弹性变形，进而使得吸能元件的相邻结构单元间产生界面滑移，在此过程中由于摩擦产生对能量耗散。
19.在一个另外的实施例中，保持器包括多个沿结构单元的轴线方向布置的保持嵌片，保持嵌片对应每一层结构单元设置一个并且套设固定在对应层的结构单元外侧。
20.有益效果：在本发明中，吸能元件由至少两个截顶圆锥壳在轴线方向上顺次层叠形成，使得本发明的吸能元件不但可以继承离散结构的优势，例如元件制备工艺简单，可设计性强，各个离散元件可以分开运输，并根据实际工况组装和部署，还将具备“环向应力主导”结构的特征，即具有高的承载性能。同时，环向重叠界面的存在对裂纹的扩展有较好的阻碍作用，而且由于相邻结构单元之间能够具有界面滑移，使得结构具有较好的能量耗散能力，从而具备较好的缓冲和减振性能。此外，多种机制的结合也为结构带来了可回收性，从而作为可回收多功能器件用于航天等多个领域。
21.下面结合附图中所示的实施例以及附图标记详细公开本发明的吸能元件以及包括该吸能元件的吸能缓冲器。
附图说明
22.图1示出了本发明的吸能元件的立体图；
23.图2示出了本发明的吸能元件的正视图；
24.图3示出了本发明的吸能元件的轴向剖视图；
25.图4示出了本发明的吸能元件中结构单元的立体图；
26.图5示出了本发明的吸能元件中结构单元的剖视图；
27.图6示出了第一种实施例的吸能缓冲器的立体图；
28.图7示出了第一种实施例的吸能缓冲器的俯视图；
29.图8示出了第一种实施例的吸能缓冲器中的保持器的立体图；
30.图9示出了第一种实施例的吸能缓冲器中的保持器的俯视图；
31.图10示出了第二种实施例的吸能缓冲器的立体图；
32.图11示出了第二种实施例的吸能缓冲器的俯视图；
33.图12示出了第二种实施例的吸能缓冲器中的保持器的立体图；
34.图13示出了第二种实施例的吸能缓冲器中的保持器的俯视图。
35.附图标记
36.1吸能元件6大头端
37.2吸能单元7侧围壁
38.3重叠界面8保持器
39.3a第一重叠界面9蜂窝单元格
40.3b第二重叠界面10蜂窝单元腔
41.4重合区域11保持嵌片
42.5小头端12嵌片孔
具体实施方式
43.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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
44.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
45.另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围内。
46.结合图1-图5所示，本发明公开了一种吸能元件1，其包括五个结构单元2，每一结构单元2均为内中空形式的截顶圆锥壳，五个结构单元2在自身轴线方向上顺次叠加形成层叠的套筒结构，并且相邻的结构单元2的侧围壁之间至少部分环向接触并且重叠。在其它优选的实施例中，结构单元2也能够设置两个、三个或四个。本领域技术人员也能够理解到的是，结构单元2也可以设置多于五个。
47.在本发明中，结构单元2包括小头端5和大头端6，以及自小头端5向大头端6延伸的侧围壁7，侧围壁7为截顶圆锥形状。结构单元2设计成，当施加到吸能元件1的载荷超出吸能元件1端部的临界冲击力后，结构单元2能够在相邻结构单元2之间环向重叠界面3的相互作用力下具有环向的弹性应变，使得相邻结构单元2之间能够具有界面滑移。
48.在本发明中，结构单元2的锥角θ设置为80
°
。在其它优选的实施例中，锥角θ可以设置为70
°
或75
°
。
49.在本发明中，结构单元2的大头端直径d为10-40cm,优选的为10cm、30cm或40cm，小头端直径d为5-30cm,优选的为5cm、10cm、22.5cm或30cm。结构单元2的侧围壁7的厚度为1-2cm，优选的为1cm、1.25cm、1.5cm或2cm。结构单元2的高度h为10-25cm,优选的为10cm、15cm、21.27cm或25cm。吸能元件的总高度h为15至50cm。
50.在本发明中，相邻结构单元2间的重叠区段在结构单元2轴线方向上的高度超过结构单元2自身高度h的三分之一。这使得能够在相邻结构单元2间形成较大面积的环向重叠界面3，一方面能够在初始状态下具有较好的承载性能，另一方面在受到冲击或振动载荷时，能够借助于较大的接触界面提供足够程度的环向弹性变形，以实现较为稳定的界面滑移，从而提供稳定的缓冲性能。
51.在本发明的实施例中，在其中每顺次相邻的三个结构单元2中，在上方的结构单元2和位于中间的结构单元2间的第一重叠界面3a与在下方的结构单元2和位于中间的结构单元2间的第二重叠界面3b之间具有重合区域4。所谓重合区域是指在位置上有重叠，并非指第一重叠界面3a和第二重叠界面3b直接相互接触。借助于重合区域4，使得在本发明吸能元件1中的结构单元2在具有各自离散优点的同时，还能够维持较好的整体协作性。
52.在本发明中，结构单元2由各向同性材料制成。具体地，结构单元2由选自下列之一的各向同性材料制成：氧化铝，碳化硅，二硼化钛，碳化硅，氧化铍，氮化硅，钛合金，铝合金，钢材，聚醚醚酮(peek)，聚酰胺(pa)，聚丙烯(pp)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(petg)，abs材料，pla材料，聚四氟乙烯(ptef)。
53.在其它实施例中，吸能元件的结构单元由以纤维增强复合材料为代表的横观各向同性材料制成。
54.本发明还公开了包含前述吸能元件1的吸能缓冲器。
55.结合图6-图9所示，本发明公开了第一种实施例的吸能缓冲器。在该实施例的吸能缓冲器中，包括保持器8和如图1-图5所示的吸能元件1，保持器8自外侧对吸能元件1形成保持。
56.在该实施例中，保持器8为由柔性材料制成的蜂窝状，其包括多个相互排列的蜂窝单元格9，每一蜂窝单元格9具有一个蜂窝单元腔10，每一蜂窝单元腔10内设置一组吸能元件1。当然，本领域技术人员能够理解到的是，每一蜂窝单元格9能够具有多于一个蜂窝单元腔10，如两个或三个，并且在每一蜂窝单元腔10内可以设置多于一组吸能元件1，如同时设置两组或三组蜂窝单元腔10。其中，蜂窝状的保持器由tpu或橡胶材料制成。
57.在该实施例种，蜂窝单元格9为正多边形形状，优选地为正六边形形状。吸能元件1的每一结构单元2的大头端外边缘与对应所在的蜂窝单元腔10的内壁保持相切接触。
58.并且，在该实施例种，吸能元件1安装在蜂窝状的保持器8后，在初始状态下，吸能元件1至少位于最上端的结构单元2部分伸出(露出)保持器8的蜂窝单元格9。当吸能元件1受到轴向载荷时，吸能元件1的结构单元2会因环向重叠界面3间的相互作用力产生环向的弹性变形，进而使得吸能元件1的相邻结构单元2间产生界面滑移，在此过程中进而产生对轴向载荷能量的耗散；并且，在此过程中，吸能元件1因结构单元2间的界面滑移会使得吸能元件1的最上端慢慢向蜂窝单元格9靠近，当轴向载荷足够大时，吸能元件1的最上端有会因
界面滑移而与蜂窝单元格9的上端保持水平持平，在此状态下，蜂窝状保持器8会同时参与承载，即吸能元件1会与蜂窝状保持器8共同承受轴向载荷，进而蜂窝状保持器8与吸能元件1共同对轴向大载荷引起的振动能量进行耗散。
59.结合图10-图13所示，本发明公开了第二种实施例的吸能缓冲器。在该第二种实施例的吸能缓冲器中，保持器8包括多个沿结构单元2的轴线方向布置的保持嵌片11，保持嵌片11对应每一层结构单元2设置一个并且套设固定在对应层的结构单元2外侧。保持嵌片11上设置有用于容纳相对应层的结构单元2的嵌片孔12。
60.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种吸能元件，其特征在于，所述吸能元件包括至少两个结构单元，结构单元为内中空形式的截顶圆锥壳；所述至少两个结构单元在自身轴线方向上顺次叠加形成层叠的套筒结构，相邻的结构单元的侧围壁之间至少部分环向接触并且重叠，以具有环向重叠界面；所述结构单元设计成，当外载荷施加到所述吸能元件后，结构单元能够在相邻结构单元之间环向重叠界面的相互作用力下具有环向的弹性应变，使得相邻结构单元之间能够具有界面滑移，以耗散载荷施加过程中形成的能量。2.根据权利要求1所述的吸能元件，其特征在于，所述吸能元件设计成，当外载荷超过吸能元件预先确定的临界载荷后，吸能元件中的至少一个结构单元能够发生塑性变形以耗散载荷施加过程中形成的能量。3.根据权利要求1所述的吸能元件，其特征在于，相邻结构单元间的重叠区段在结构单元轴线方向上的高度超过结构单元自身高度的三分之一。4.根据权利要求1所述的吸能元件，其特征在于，所述结构单元设置超过三个，在其中每顺次相邻的三个结构单元中，在上方的结构单元和位于中间的结构单元间的重叠界面与在下方的结构单元和位于中间的结构单元间的重叠界面之间具有重合区域。5.根据权利要求1所述的吸能元件，其特征在于，所述结构单元的锥角大于等于45
°
小于等于85
°
。6.根据权利要求1所述的吸能元件，其特征在于，所述结构单元由选自下列之一的各向同性材料制成：氧化铝，碳化硅，二硼化钛，碳化硅，氧化铍，氮化硅，钛合金，铝合金，钢材，聚醚醚酮，聚酰胺，聚丙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，abs材料，pla材料，聚四氟乙烯。7.一种吸能缓冲器，其特征在于，所述吸能缓冲器包括保持器和根据权利要求1-6任一权利要求所述的吸能元件，所述吸能元件设置至少一组，所述保持器自外侧对所述吸能元件形成保持。8.根据权利要求7所述的吸能缓冲器，其特征在于，所述保持器为由柔性材料制成的蜂窝状，其包括多个相互排列的蜂窝单元格，每一蜂窝单元格具有至少一个蜂窝单元腔，每一所述蜂窝单元腔内设置至少一组所述吸能元件。9.根据权利要求8所述的吸能缓冲器，其特征在于，所述蜂窝单元格为正多边形形状，所述吸能元件的每一结构单元的大头端外边缘与对应所在的所述蜂窝单元腔的内壁保持相切接触。10.根据权利要求7所述的吸能缓冲器，其特征在于，所述保持器包括多个沿结构单元的轴线方向布置的保持嵌片，所述保持嵌片对应每一层结构单元设置一个并且套设固定在对应层的结构单元外侧。

技术总结
本发明公开一种吸能元件及其吸能缓冲器，其中吸能元件包括至少两个为截顶圆锥壳形式的结构单元；结构单元在自身轴线方向上顺次叠加形成层叠的套筒结构，相邻的结构单元的侧围壁之间具有环向重叠界面；当外载荷施加到所述吸能元件后，结构单元能够在相邻结构单元之间环向重叠界面的相互作用力下具有环向的弹性应变，使得相邻结构单元之间能够具有界面滑移。本发明的吸能元件不但可以继承离散结构的优势(结构可拆卸组装，单个元件失效后可更换)，还将具备“环向应力主导”结构的特征，即具有高的承载性能。同时，结构具有较好的能量耗散能力，从而具备较好的缓冲和减振性能，而且，环向重叠界面的存在对裂纹的扩展有较好的阻碍作用。碍作用。碍作用。


技术研发人员：朱绍伟 邓光辉 陈立明
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/9/20