[发明专利]摩擦诱导的双稳态缓冲吸能单元、多稳态缓冲吸能结构

说明书

本申请公开了一种摩擦诱导的双稳态缓冲吸能单元、多稳态缓冲吸能结构，所述双稳态缓冲吸能单元包括：三个圆柱体，所述三个圆柱体为刚性体，直径和长度均相同，轴线相互平行；弹性带，所述弹性带套设在三个圆柱体外，为三个圆柱体提供一定预紧力，使三个圆柱体保持紧贴并具有第一稳定状态和第二稳定状态。本申请将刚性部件和弹性部件相结合，并借助结构的内摩擦，设计了含摩擦的双稳态缓冲吸能单元，使该单元无论在系统处于弹性势能的局部极小值还是局部最大值，均能实现稳定的力学平衡状态，内摩擦的引入在很大程度上扩展稳定平衡的设计域，无需依靠圆柱体的塑性变形或破坏缓冲吸能，避免了圆柱体本身的材料损伤，可多次重复使用。

技术领域

本申请涉及缓冲吸能技术领域，特别地，涉及一种摩擦诱导的双稳态缓冲吸能单元、多稳态缓冲吸能结构。

背景技术

缓冲吸能的目的在于减小着陆冲击并加强各部位的抗冲击性能，避免内部器件受到损伤，目前的缓冲吸能结构主要分为一次性使用和可重复使用两类。泡沫、金属、陶瓷等通过塑性变形或破坏，或者通过引入人为缺陷例如折纸的预折叠，从而控制结构变形模式，获得预期的吸能特性。塑性变形或结构破坏的吸能原理为材料分子层面上的位错或键断裂，吸能密度很高，但由于材料永久性损坏只能一次性使用，无法满足对缓冲吸能特性循环使用的需求。而目前利用双稳态实现的可重复使用缓冲吸能设计中，往往是通过弹性势能的局部极小值实现的，例如两端受约束的曲梁，其中，构型的稳定态只能在系统的弹性势能局部极小点实现，该要求严格限制了构型稳定态的个数与实现方式，在很大程度上缩减了缓冲吸能结构的设计阈。

发明内容

本申请实施例提供了一方面提供了一种摩擦诱导的双稳态缓冲吸能单元，以解决现有缓冲吸能装置无法循环使用、缓冲吸能结构的设计阈受到限制的技术问题。

本申请采用的技术方案如下：

一种摩擦诱导的双稳态缓冲吸能单元，包括：

三个圆柱体，所述三个圆柱体为刚性体，直径和长度均相同，轴线相互平行；

弹性带，所述弹性带套设在所述三个圆柱体外，为所述三个圆柱体提供一定的预紧力，使三个圆柱体保持紧贴并具有第一稳定状态和第二稳定状态，其中，第一稳定状态时，所述三个圆柱体的轴线分别经过同一等边三角形的顶点处，第二稳定状态时，所述三个圆柱体的轴线位于同一平面内。

进一步地，所述三个圆柱体的圆柱面上相应地设置有与所述弹性带相匹配的环形凹槽。

进一步地，所述弹性带的初始预紧力、弹性带刚度、三个圆柱体的圆柱面摩擦系数的大小与所述双稳态缓冲吸能单元受到碰撞力时的能量吸收大小成正比。

进一步地，给定所述三个圆柱体的圆柱面摩擦系数、弹性带刚度、弹性带初始预紧力，则所述摩擦诱导的双稳态缓冲吸能单元在有摩擦情况下能承受的归一化的竖直方向外力为：

μ为圆柱面摩擦系数，为无摩擦情况下归一化的竖直方向外力：

其中，F(θ)为假设圆柱体、弹性带与地面之间无摩擦时作用在摩擦诱导的双稳态缓冲吸能单元上竖直原始外力：

F(θ)＝2tanθ(T_o+kΔ)

R为刚性圆柱体半径，k为弹性带刚度，T_o为弹性带初始预紧力，归一化的弹性带初始预紧力Δ为弹性带伸长量，归一化的弹性带伸长量

本申请另一方面提供了一种多稳态缓冲吸能结构，包括：

若干所述的双稳态缓冲吸能单元，所述双稳态缓冲吸能单元周期性地层叠排列，构成正交层合结构。

进一步地，所述多稳态缓冲吸能结构包括至少两层，每层包含至少两个平行放置的双稳态缓冲吸能单元，相邻两层的双稳态缓冲吸能单元呈空间正交关系。