本發(fā)明涉及緩沖吸能領(lǐng)域，具體涉及一種由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、彈性材料，由于其擁有較好的恢復(fù)特性，且被壓縮后具有同等于加載力的回彈力，使得彈性材料被廣泛應(yīng)用于包裝工程等吸能場景。彈塑性材料制成的多孔材料，例如蜂窩結(jié)構(gòu)，其具有輕質(zhì)高強(qiáng)，且吸能水平高的特點(diǎn)，常常被應(yīng)用于碰撞防護(hù)領(lǐng)域。然而對于彈性材料而言，其較高的回彈力，一方面較小了滯回環(huán)的吸能面積，另一方面會對保護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的傷害。對于彈塑性材料而言，彈塑性材料的不可恢復(fù)特定決定了彈塑性材料制成的吸能結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)單次吸能，而無法實(shí)現(xiàn)多次吸能。在實(shí)際場景中，例如強(qiáng)地震作用下，建筑物的位移超過了地震溝預(yù)留距離，會撞擊上地基結(jié)構(gòu)。若要設(shè)置一種防撞墊來防護(hù)建筑物的多次撞擊，且具有較小的回彈力來保護(hù)建筑物和地基結(jié)構(gòu)，單獨(dú)彈性材料或彈塑性材料無法實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)。而若建立一種結(jié)合彈性材料和彈塑性材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)模型，彈性材料的回彈力恰好使得壓縮后的彈塑性材料恢復(fù)，同時復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體反力較小。彈塑性材料提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，彈塑性材料的塑性能來增大滯回環(huán)的面積。

2、同時，目前的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)多數(shù)依靠彈簧和摩擦阻尼實(shí)現(xiàn)，且其對外來力壓縮的方向依賴性強(qiáng)。其要求作為整體結(jié)構(gòu)的一部分，常用于建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗震防護(hù)，而碰撞領(lǐng)域中，撞擊物和防撞墊是分離的，其不適用于碰撞吸能領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，以解決碰撞防護(hù)領(lǐng)域的彈塑性多孔材料不能實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)吸能的問題以及一些彈性材料具有過高回彈力的問題。將彈性材料和彈塑性材料復(fù)合，彈塑性材料內(nèi)嵌在彈性材料中。由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的結(jié)構(gòu)具有較大的滯回環(huán)吸能面積，較低的回彈力。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案:

3、一種由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，包括：

4、由彈塑性材料構(gòu)成的吸能單元；

5、由彈性材料構(gòu)成的支撐單元；所述支撐單元填充在所述吸能單元間，用于在所述吸能單元吸能時提供抗變形力，在所述吸能單元吸能后提供恢復(fù)力。

6、本發(fā)明由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，是通過將彈塑性材料和彈性材料相互嵌入的方式進(jìn)行耦合。彈塑性材料的塑性能作為能量吸收的來源，而彈性材料的恢復(fù)力使得彈塑性材料恢復(fù)原狀。通過彈性材料的支撐，能夠增大彈塑性材料往復(fù)壓縮作用下的力-位移曲線滯回環(huán)面積，提高吸能能力。彈性材料中，彈性材料的壓縮恢復(fù)率較高，同時在壓縮后卸載時具有較高的回彈力。彈塑性材料的楊氏模量較大，在壓縮后卸載時不可恢復(fù)的變形較大。同時，彈塑性材料具有較好的反復(fù)變形能力。

7、彈性材料經(jīng)過激光切割處理以及彈塑性材料經(jīng)過模具處理后，彈性材料和彈塑性材料通過強(qiáng)力的軟膠粘接，其粘接界面不發(fā)生相對滑動。

8、所述吸能單元為圓弧波紋板。

9、所述圓弧波紋板由上下鏡像的圓弧段通過兩個端點(diǎn)逐個相連形成；圓弧段的半徑r選為32mm，r根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)長度需求確定，圓弧段的圓心角θ在60°-120°范圍內(nèi)，在這個角度范圍可以確保波紋板的塑性區(qū)域分布更多，且塑性區(qū)域長度更長。

10、所述相鄰兩個所述圓弧波紋板通過上下鏡像拓?fù)涑烧w結(jié)構(gòu)。相比于其他構(gòu)型，這個波紋板整體結(jié)構(gòu)與彈性材料復(fù)合之后，塑性鉸能夠均勻地分布，實(shí)現(xiàn)多次反復(fù)能量吸收并不發(fā)生疲勞斷裂。

11、所述吸能結(jié)構(gòu)為波紋板通過鏡像復(fù)制得到的蜂窩結(jié)構(gòu)，通過波紋板與彈性材料交錯層疊形狀整體結(jié)構(gòu)。同時還可以采用3d打印預(yù)先制成彈塑性材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，并填入彈性塊體材料得到整體結(jié)構(gòu)，以及采用混合了彈性材料和彈塑性材料的波紋板結(jié)構(gòu)通過平移波紋板或者鏡像波紋板得到整體結(jié)構(gòu)。

12、構(gòu)成所述支撐單元的彈性材料為橡膠材料、聚氨酯、泡沫或海綿。

13、所述支撐單元為彈簧。

14、構(gòu)成所述吸能單元的彈性材料為金屬材料或塑料.

15、構(gòu)成所述吸能單元的金屬材料為鋼、鋁材或銅。

16、本發(fā)明的有益效果是：

17、1.本發(fā)明提出的一種由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其可實(shí)現(xiàn)多次的可重復(fù)吸能，解決了目前大多數(shù)彈塑性材料吸能結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)多次吸能的問題。

18、2.本發(fā)明提出的一種由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其能夠依靠彈塑性材料的彈塑性能實(shí)現(xiàn)吸能，同時依靠彈性材料的回彈力使得結(jié)構(gòu)以較低的回彈力恢復(fù)。

19、3.本發(fā)明提出的一種由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其彈性材料通過切割制成支撐單元的形狀，彈塑性材料通過模具制成吸能單元的形狀，彈性材料和彈塑性材料通過粘接結(jié)合。相比于傳統(tǒng)的吸能結(jié)構(gòu)和摩擦阻尼彈簧自復(fù)位結(jié)構(gòu)，其施工方法簡潔快速，成本低廉。

20、4.本發(fā)明提出的一種由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其對于碰撞防護(hù)的方向不具有敏感性，即可以抵抗多個方向的沖擊，并實(shí)現(xiàn)可重復(fù)吸能。相比于傳統(tǒng)的對壓縮方向敏感的自復(fù)位阻尼器結(jié)構(gòu)，由彈性彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能的結(jié)構(gòu)能夠適用于更多的吸能場景，具有更廣闊的應(yīng)用場景。

技術(shù)特征：

1.一種由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述吸能單元為圓弧波紋板。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓弧波紋板由上下鏡像的圓弧段通過兩個端點(diǎn)逐個相連形成；圓弧段的曲率φ影響了單元在彎曲過程中的彎矩m，m為eiφ，而e為材料彈性模量，i為材料的慣性矩，慣性矩i與截面的厚度t的三次方相關(guān)，波紋板的彎曲模量eb公式為eb＝l3/ei，其與圓弧段的長度l相關(guān)，圓弧的長度l由圓弧段的圓心角θ和圓弧段的半徑r控制，圓心角θ在60°-120°范圍內(nèi)，圓弧段的半徑r應(yīng)在3t-6t范圍內(nèi)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述相鄰兩個所述圓弧波紋板通過上下鏡像拓?fù)涑烧w結(jié)構(gòu)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述吸能結(jié)構(gòu)為波紋板通過鏡像復(fù)制得到的蜂窩結(jié)構(gòu)，通過波紋板與彈性材料交錯層疊形狀整體結(jié)構(gòu)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述吸能結(jié)構(gòu)為采用3d打印預(yù)先制成彈塑性材料構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，并填入彈性塊體材料得到整體結(jié)構(gòu)，以及采用混合了彈性材料和彈塑性材料的波紋板結(jié)構(gòu)通過平移波紋板或者鏡像波紋板得到整體結(jié)構(gòu)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，構(gòu)成所述支撐單元的彈性材料為橡膠材料、聚氨酯、泡沫或海綿。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐單元為彈簧。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，構(gòu)成所述吸能單元的彈性材料為金屬材料或塑料。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，其特征在于，構(gòu)成所述吸能單元的金屬材料為鋼、鋁材或銅。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及緩沖吸能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，具體是一種由彈性材料和彈塑性材料復(fù)合而成的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，包括：由彈塑性材料構(gòu)成的吸能單元；由彈性材料構(gòu)成的支撐單元；所述支撐單元設(shè)置在所述吸能單元間，用于在所述吸能單元吸能時提供抗變形力，在所述吸能單元吸能后提供恢復(fù)力。在彈性材料中填充彈塑性材料，能夠在不降低回復(fù)率的前提下增大力?位移曲線的滯回環(huán)的面積。相比于采用摩擦作用增大滯回環(huán)面積的傳統(tǒng)的可重復(fù)吸能結(jié)構(gòu)，彈性材料和彈塑性材料復(fù)合結(jié)構(gòu)是通過彈塑性材料本身的反復(fù)變形產(chǎn)生的塑性能來增大滯回環(huán)面積。其可實(shí)現(xiàn)多次的可重復(fù)吸能，解決了目前大多數(shù)彈塑性材料吸能結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)多次吸能的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：蔡建國,盤俊緯,張耀康,周健,張騫,顧樂明,蔣本衛(wèi),馮健
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30