基于STF的智能冲击防护结构及其应用的制作方法

本发明涉及抗冲击耗能防护技术领域，具体涉及一种基于stf的智能冲击防护结构及其应用。

背景技术：

道路交通工具的功率、速度和密度的不断增加，交通事故每时每刻都在发生，而事故中的碰撞已成为生命和财产损失的主要因素。为降低冲击碰撞所造成的损害，被动防护技术因其简单有效而应用广泛。为满足日益苛刻的碰撞防护需求，新型碰撞防护材料与结构的研发一直是工程领域的研究热点之一。

stf是一种新型智能材料，这一材料为纳米颗粒悬浮液体，它在低剪切速率下非常容易变形，可像液体一样缓慢流动；在受到冲击载荷时其表观粘度发生大幅度增大而变粘稠，甚至由液态转化为类固态；在冲击撤销后又能迅速恢复液态，具有响应速度快，可逆性好，吸能效率高等优点。然而在碰撞发生时，碰撞防护材料往往承受局部冲击，如何在局部冲击下使尽可能多的剪切增稠液体处于工作状态是现阶段需要解决的关键问题。

技术实现要素：

解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种基于stf的智能冲击防护结构及其应用，能够对外界冲击碰撞自动做出反应，具有结构简单、重量轻、维护简单，缓冲效率高等特点。并且可以根据需求方便的调节缓冲性能。

技术方案：基于stf的智能冲击防护结构，所述结构包括封装层、安装板、紧固螺钉、导轨、长转轴、多连杆机构、stf、端板和密封圈，所述封装层为一端密闭、另一端开口的内部空腔薄壁金属构件，安装板和端板通过紧固螺钉与封装层连接，所述安装板底面与封装层密闭端内表面相接，所述端板设于封装层开口端内端面，所述端板两端外侧沿水平方向分别设有凹槽，所述凹槽与封装层之间设有密封圈；所述安装板包括导轨和封盖，所述封盖设于安装板沿水平方向两端外侧，导轨设于安装板正面，所述导轨内部设有4个t形滑块，所述多连杆机构通过长转轴设于t形滑块上，所述多连杆机构包括一组相互平行的顺向杆、一组相互平行的逆向杆、短转轴，顺向杆和逆向杆相交，短转轴设于相交处；

所述stf填充于封装层内部，所述stf由二氧化硅纳米颗粒和聚乙二醇200组成，其中二氧化硅纳米颗粒的体积分数为28％。

作为优选，所述多连杆机构的顺向杆和逆向杆端点相铰接处的任一侧通过长转轴与t形滑块相接。

作为优选，所述多连杆机构压缩到最大位移时与封装层的封闭端和端板均不触碰。

作为优选，所述导轨为t形。

作为优选，所述二氧化硅纳米颗粒的微孔直径在180-220nm。

作为优选，所述stf制备过程如下：取分散介质放入行星球磨机的球磨罐中，将分散相颗粒分批添加到行星式球磨机中研磨，直至达到所需的体积分数含量，充分研磨，分散介质为peg200，分散相为二氧化硅纳米颗粒；研磨结束后，将混合样品进行抽真空处理，得到样品。

所述基于stf的智能冲击防护结构在车辆碰撞防护领域中的应用。

有益效果：本发明提供了一种基于stf的智能冲击防护结构，具有缓冲保护性能优越的特点，可广泛应用于车辆的碰撞防护领域，降低人员伤亡率和财产损失。

stf在抗冲击和耗能方面与其他同等质量材料相比，抗冲击能力更强，消耗的能量更多；

多连杆机构在材料、尺寸和结构布置上有多种选择，可以满足不同领域的需求，关键点在于这类机构可以使得封装结构中的stf全部同时参与局部小范围内的冲击碰撞。

通过将stf和多连杆机构相结合，不仅利用了stf本身具有的良好耗能特性，而且利用多连杆机构的运动特性，在冲击发生时，能够带动周围的全部stf的参与耗能过程，提高了stf的利用效率，使得该智能结构的冲击防护性能大大提高。

stf对剪切应变速率具有敏感迅速的反应，使得结构在受到冲击时能够在瞬间作出高耗能反应，提高结构的防护性能，也降低了整个结构的复杂性。

附图说明

图1为智能冲击防护结构示意图；

图2为智能冲击防护结构a-a向剖视图；

图3为多连杆运动机构的轴测投影图；

图4为t形滑块的轴测投影图

图中1是封装层，2是安装板，3是顺向杆，4是逆向杆，5是短转轴，6是长转轴，7是t形滑块，8是导轨，9是紧固螺钉，10是封盖，11是stf，12是端板，13是密封圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参阅图1和图2，将stf11密封在具有多杆运动机构的封装层中形成智能结构冲击防护结构。所述stf11由二氧化硅纳米颗粒和聚乙二醇搅拌混合而成，其中二氧化硅纳米颗粒的体积分数为28％，微孔直径在180-220nm，其制备过程如下：取分散介质放入行星球磨机的球磨罐中，将分散相颗粒分批添加到行星式球磨机中研磨，直至达到所需的体积分数含量，充分研磨，分散介质为聚乙二醇200，分散相为二氧化硅纳米颗粒；研磨结束后，将混合样品进行抽真空处理，得到样品。

所述的智能冲击防护结构由封装层1、安装板2、紧固螺钉9、导轨8、长转轴6、多连杆机构、stf11、端板12和密封圈13组成，封装层1为一端密闭、一端开口的内部空腔薄壁金属构件。安装板2和端板12通过紧固螺钉9与封装层1连接，所述安装板2底面与封装层1密闭端内表面相接，所述端板12设于封装层1开口端内端面，所述端板12两端外侧沿水平方向分别设有凹槽，所述凹槽与封装层1之间设有密封圈13，以防止腔体中的stf向外泄漏；所述安装板2包括导轨8和封盖10，所述封盖设于安装板2沿水平方向两端外侧，可防止t形滑块7从导轨8中滑出。导轨8设于安装板2正面，所述导轨8为t形，所述导轨8内部设有4个t形滑块7，所述多连杆机构通过长转轴6设于t形滑块7上，参照图1和图2，所述长转轴6设于最接近导轨和最远离导轨的两侧顺向杆和逆向杆相交处，所述多连杆机构包括一组相互平行的顺向杆、一组相互平行的逆向杆和短转轴5，顺向杆和逆向杆相交，短转轴5设于相交处，相互铰接形成平行四边形运动机构，所述多连杆机构压缩到最大位移时与封装层1的封闭端和端板12均不触碰，该机构的特点在于，当多连杆机构最外层的任一铰接点因碰撞而获得位移时，由于各连杆相交处由转轴连接，因此会带动平面内所有杆件绕转轴做圆周运动，此时t形滑块7在导轨8内沿直线运动，带动多杆件系统改变纵向尺寸。由此，多连杆机构具有整体伸缩功能，且结构稳固，安装方便，所述stf11填充于封装层1内部。

stf是一种新形智能材料，这一材料为纳米颗粒悬浮液体，它在低剪切速率下非常容易变形，可像液体一样缓慢流动；在受到冲击载荷时其表观粘度发生大幅度增大而变粘稠，甚至由液态转化为类固态；在冲击撤销后又能迅速恢复，具有响应速度快，可逆性好，吸能效率高等优点。

本发明所述的智能冲击防护结构工作原理：

参阅图1，当所述的智能冲击防护结构发生碰撞时，碰撞使得封装层1外侧的薄壁结构在碰撞点受力，结构外侧的碰撞点金属因塑性变形而凹陷，从而带动凹坑周围的stf11参与工作，吸收部分能量。同时，由于封装层外侧的变形，多连杆机构最外层任一铰接点因外侧变形而获得位移，牵连多连杆系统在平面内运动，使得多连杆机构具有整体伸缩功能，从而带动更大范围的stf参与耗能过程。正是由于多连杆机构的介入，提高了stf的利用效率，使得stf的能量耗散性能大大提高。

本发明是利用多连杆机构和stf相结合的一种智能结构冲击防护技术，二维多连杆机构在受到外部冲击时，原动件因获得能量而启动，从而导致整个铰接平行四边形机构的运动，即产生‘牵一发而动全身’的效果。本技术方案将两者有机的结合在一起，不仅利用了stf本身具有的良好吸能特性，而且利用多连杆机构的运动特性，在冲击发生时，能够带动容器内几乎全部stf同时参与耗能过程，大幅度提高了能量吸收效率。该stf冲击碰撞防护结构成本低、质量轻、环境友好、可重复利用，在车辆的碰撞防护领域有着广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。