[发明专利]一种抗冲击三维仿生双相杆结构

说明书

本发明公开一种抗冲击三维仿生双相杆结构，包括杆状的硬质结构体，所述硬质结构体上沿圆周方向均匀嵌设有多列软质连接体，同一列中的各软质连接体沿轴向均匀布置；所述硬质结构体上沿轴向均匀嵌设有多组牺牲体，同一组牺牲体包括两个并关于轴线旋转对称布置，轴向相邻的两组牺牲体沿圆周方向错开，各牺牲体位于轴向相邻的两个软质连接体之间；所述牺牲体用于模拟骨骼中的牺牲键结构，具有可控断裂特性，在外载荷作用下将发生断裂失效，具有断裂前和断裂后两种相态。本发明能够显著提升结构对冲击载荷的耗散能力，从而提高整体结构的韧性和抗冲击能力，可为新型高性能航天器承力构件的解决提供新的技术方案。

技术领域

本发明属于仿生结构设计技术领域，具体涉及一种抗冲击三维仿生双相杆结构。

背景技术

当前航天器的工作环境以及任务要求逐渐复杂化，因而对发展具有强度高、韧性强、刚度特性适配、抗冲击能力强等优异力学性能的承力结构提出了强烈需求。例如在大推力运载火箭发射过程中，产生的剧烈振动冲击高达几个g甚至十几个g(g表示地面重力加速度)，为保证有效载荷不会受到冲击损伤，对星箭适配器等连接机构的减振、抗冲击特性提出了极高要求；在执行交会对接及抓捕任务过程中，航天器上相应的抓捕和锁定机构将对结构强度和冲击耐受性提出极高的性能需求；在大挠性航天器姿态机动过程中，大尺度太阳能帆板、天线等挠性机构将对连接结构的强度、断裂韧性产生极高的性能需求；薄膜相机、太阳帆等薄膜型航天结构在工作中为实现型面保持，将对其支撑结构的比强度、比刚度特性提出极高的性能需求。由此可见，发展具有良好抗冲击性能的航天承力结构或构件对于航天任务的实现十分重要。现有的航天承力杆件结构还不能很好地适应和满足日益苛刻的航天应用需求。

近年来，直接模仿生物材料特性或受生物体独特结构启发而研制的仿生结构给高性能航天承力结构的设计带来了灵感与良好的借鉴思路。自然界中的生物材料和生物结构，经历亿万年的演化与筛选，在强度、刚度和韧性方面具有独特且优异的力学性能。例如，山羊在岩石间攀爬、跳跃的过程中，四肢能够承受剧烈的动态载荷，这说明其腿部骨骼在奔跑运动过程中发挥了良好的缓冲、隔振和抵抗外部冲击的作用。因此，可以通过研究动物骨骼的内部微观结构，探索并发展一种与骨骼一样具有高强度、大韧性、强承载能力、良好等突出力学特性的仿生复合材料结构，来有效解决航天工程实际中经常遇到的振动冲击问题。

专利文献CN 111027212A公开了一种二维的仿生交错层叠薄板结构，包括多个平行布置的硬质体和软基体、以及多个可断裂体，受骨骼等生物材料中广泛存在牺牲键结构的启发，提出一种预设有可断裂体的仿生交错层叠薄板结构，通过可断裂体的断裂过程产生额外的能量耗散，实现结构整体的韧性增强。然而，该仿生交错层叠薄板结构为一类二维平面结构，不适用于航天器承力杆件的制作。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种抗冲击三维仿生双相杆结构，旨在解决现有航天承力杆件结构不能很好地适应和满足日益苛刻的航天应用需求的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种抗冲击三维仿生双相杆结构，包括杆状的硬质结构体；所述硬质结构体上沿圆周方向均匀嵌设有多列软质连接体，同一列中的各软质连接体沿轴向均匀布置；所述硬质结构体上沿轴向均匀嵌设有多组牺牲体，同一组牺牲体包括两个并关于轴线旋转对称布置，轴向相邻的两组牺牲体沿圆周方向错开，各牺牲体位于轴向相邻的两个软质连接体之间；

所述硬质结构体和所述软质连接体均为由各向同性材料构成的构造体，所述硬质结构体的弹性模量和拉伸强度大于所述软质连接体的弹性模量和拉伸强度；所述硬质结构体起承受正应力作用，所述软质连接体具有传递切应力的功能；

所述牺牲体为用于模拟骨骼中牺牲键结构的构造体，起传递轴向正应力载荷的作用；所述牺牲体具有可控断裂特性，能够在外载荷作用下发生断裂失效。