[发明专利]点阵结构及其单元结构、点阵夹芯结构

说明书

本发明涉及一种点阵结构及其单元结构、点阵夹芯结构。所述单元结构包括第一基座、第二基座、以及连接所述第一基座和所述第二基座的连杆；所述连杆与水平面之间的夹角设为θ，40°≤θ≤50°，其中：所述连杆的长度为L，所述连杆沿垂直于其中轴线所在竖直面的横截面的宽度为W，所述连杆沿垂直于其中轴线所在竖直面的横截面的厚度为T，且T≤W，0.1≤W/L≤0.15。本发明单元结构塑性应变小，通过单元结构的参数的设计能够实现能量吸收曲线的调节，且可通过外力作用使单元结构恢复形变，重复使用，从而，扩大了由该点阵单元拼接而成的点阵结构和点阵夹芯结构的应用范围。

技术领域

本发明涉及吸能材料技术领域，特别是涉及点阵结构及其单元结构、点阵夹芯结构。

背景技术

吸能材料在人员防护、建筑减震、汽车及飞机的防冲击和精密零部件的保护上具有广泛的应用。传统的吸能材料包括方形薄壁梁、波纹管、蜂窝结构材料、蛋盒式结构材料、泡沫金属材料、点阵材料等。

其中，方形薄壁梁结构简单、吸能能力强，在汽车的碰撞吸能中有广泛的应用。如图1所示，在受到冲击荷载时，方形薄壁梁通过侧向屈曲，使金属材料发生塑性变形，进而吸收冲击力。方形薄壁梁可以通过调节焊接方法、壁厚、横截面及预变形等方式，对结构的吸能能力进行调节。但是，由于结构变形过程中，金属引入了塑性应变，因此变形过程不可逆，结构在承受一次冲击荷载后就不能再次使用。

蛋盒式结构材料是各种合金通过热冲压或冷冲压制备而成，其吸能能力和它的几何形状有关。它在沿承载方向上有很小长度的变形能吸收大量的能量。在冲击载荷的作用下，它的吸能率可以表示成以截面尺寸为变量的函数。那么，在具体应用中，可以根据需要对截面尺寸进行优化，得到吸能最佳的截面形状。研究表明，锥角越大，蛋盒式结构材料的吸能率越高，但是另一方面，锥角越大，蛋盒式结构材料的冲压成型就越困难，因为在冲压过程中，锥角越大，钢板开裂的可能性就越大。

泡沫金属材料具有在压缩载荷作用下能够承担大变形并维持相对恒定应力的特性，加上其质轻等特点，使其广泛应用于防撞结构，防爆结构。如图2a所示，开孔泡沫金属材料的孔与孔之间由孔棱连接，互相连通，通气性好，因此具有很好的换热散热能力、以及过滤和分离能力。其主要制备方法是首先获得多孔预制件，而后利用多孔预制件进行渗流、沉积、烧结等工艺，最终获得开孔泡沫金属材料。开孔泡沫金属材料的特点在于结构可控，但制备工艺较复杂，不易实现规模化生产。如图2b所示，闭孔泡沫金属材料孔与孔之间除了孔棱连接，还有孔壁，且孔型为近似球形的圆孔、孔隙率高、比表面积大。和实体结构相比，由于气孔的存在，闭孔泡沫铝具有高比强度、比刚度及较长的压缩行程。其制备相对简单，可直接通过发泡工艺获得，包括：熔体发泡法、直接喷吹气发泡法、固气共晶凝固法、粉末压实熔化(PCM)法等。但是由于结构变形过程中，金属引入了塑性应变，因此变形过程不可逆，结构在承受一次冲击荷载后，其抗冲击性能会极大降低，甚至完全不可再次使用。

点阵材料是一种由节点及连接杆单元组成的空间网架类有序多孔材料，具有减振性好、可设计性强等特点。受到冲击时，点阵材料内部通过大范围的塑性变形将冲击能转化为应变能，从而可吸收大量的冲击能，因此有利于提高冲击防护效率。四面体点阵材料受压后的应力应变曲线如图3所示，从图3可知，由于结构的应力始终大于0，因此在压缩过程中，结构始终只有初始结构这一个稳定结构，在承受极大的冲击荷载时，结构会发生很大的塑性变形，其抗冲击性能会极大降低。

因此，方形薄壁吸能梁、蛋盒式结构材料、泡沫金属材料和点阵材料虽然均具有较好的吸能特性，但也存在着变形不可逆、制备困难的缺陷，极大限制了吸能材料的应用范围和可重复性。

发明内容

基于此，有必要针对吸能材料问题，提供一种点阵结构及其单元结构、点阵夹芯结构；所述点阵结构的单元结构塑性应变小，通过单元结构的参数的设计能够实现能量吸收曲线的调节，且可通过外力作用使单元结构恢复形变，重复使用，从而，扩大了由该点阵单元拼接而成的点阵结构和点阵夹芯结构的应用范围。