[发明专利]一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构

说明书

本发明公开的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，可用于航空航天飞行器蒙皮、汽车车身等易受冲压轻质部件，包括上面板、下面板和夹芯柱片结构，夹芯柱片结构由多个空芯柱体和曲面叶片构成。空芯柱体内填充聚合物，曲面叶片呈植物叶片状，由连续的极小曲面构成，本发明具有多个方向上的缓冲、吸能、轻质特点，当面板受到垂直冲压时，柱体主要起到承压作用，柱体内填充物起到吸能作用，同时曲面叶片产生较大的变形，利于传递应力，与同质量的六边形蜂窝结构对比，在上、下板面受压时上仿生结构抵御变形破坏的能力提高约1.5倍，当任意侧面受剪时，抵御变形破坏的能力比蜂窝结构提高约35％。

技术领域

本发明涉及轻质功能结构技术领域，特别是一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构。

背景技术

为了进一步提高航空航天、汽车等工业的节能指标，对研发满足特定力学性能的轻量化部件提出了新的要求。如飞行器蒙皮或者车身会承受气流、振动及碰撞不同环境的压力，研发缓冲吸能轻质结构的设计成为该类部件的重要研究目标。近年来，学者验证了仿生夹芯轻质结构可满足该力学性能及轻量化要求，可用于该类部件上。

在夹芯结构研究方面，仿蜂窝六边形结构具有很好的吸能特征，并在工程部件中获得了广泛的应用。学者也对甲虫鞘翅结构进行研究，设计了较好的吸能缓冲轻质结构。此外，学者通过拓扑优化节省了材料并保证了力学性能。当前，由于对各类部件吸能缓冲及轻量化需求的提高，期望设计出更多满足工程需求的仿生夹芯结构。

自然界除了蜂窝和鞘翅轻质结构，其它许多生物组织具有轻质和特定的力学性能。如牙釉质微观结构是较高硬度的圆柱体分布在低硬度的粘稠性蛋白基质里。其中圆柱起到承载作用，而蛋白质基体与圆柱的黏附，在受到压缩时可有效吸收能量。此外，自然界的螺旋曲面叶片(如植物叶片)能够在受压时产生大变形且不发生破坏，说明该曲面叶片可以有效传递应力。因此，牙釉质结构特征及螺旋曲面叶片为新型缓冲吸能结构的设计提供重要参考。

发明内容

本发明从不同生物组织的机械单元结构中得到启发，公开了一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构。该仿生轻质夹芯结构综合了牙釉质柱体和植物螺旋叶片(Gyroid极小曲面)的力学特征，具备吸能缓冲轻质特征。

具体的技术方案如下：

一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，包括上面板、下面板以及设置于上面板、下面板之间的夹芯柱片结构，其特征在于，所述夹芯柱片结构由多个柱体和曲面叶片构成，相邻柱体之间等间隔平行分布，曲面叶片相连且围绕柱体。

所述柱体为仿牙釉质结构的柱形结构，所述曲面叶片呈植物叶片状，由连续的极小曲面构成。

上述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，所述曲面叶片沿螺旋上升方向围绕柱体。

上述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，所述柱体为空芯柱体。

上述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，呈空芯柱体的所述柱体内部均匀填充有聚丙烯酰胺聚合物。

上述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，所述极小曲面在三维方向有序延伸并扩展，其曲面方程为A＝cos x·sin x+cos y·sin z+cos z·sin x。

本发明的有益效果为：

本发明公开的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，可用于航空航天飞行器蒙皮、汽车车身等易受冲压轻质部件，包括上面板、下面板和夹芯柱片结构，夹芯柱片结构由多个柱体和曲面叶片构成，曲面叶片呈植物叶片状，由连续的极小曲面构成，本发明具有多个方向上的缓冲、吸能、轻质特点，当面板受到垂直冲压时，柱体受压变形，同时曲面叶片产生较大的变形，利于应力传递，实现结构的缓冲吸能。由于曲面螺旋延伸特征，在发生形变过程中与柱面接触，在一定程度上阻止了柱面受压发生弯曲褶皱。与同质量的六边形蜂窝结构对比，在上、下板面受压时上述仿生结构抵御变形破坏的能力提高约1.5倍，当任意侧面受压时，与蜂窝结构相比抵御变形破坏的能力提高约35％。