基于布尔运算的超材料吸能结构

1.本实用新型涉及吸能盒领域，具体是指一种基于布尔运算的超材料吸能结构。


背景技术：

2.近十年来,交通运输业的产业规模逐渐扩大，在运输里程、速度以及效率上均有了很大的提升，但随之带来给运输安全以及运输质量带来了不小的挑战。面对防护安全性能的不断提升，许多防护结构以及吸能结果广泛运用于交通运输产业的各个方面，使其防护措施得到了有效保障。但是，当前的防护结构在面对复杂或极端环境下，例如被防护结构的复杂形貌以及高速碰撞的工况条件等，当前防护结构无法高效的完成缓冲吸能的任务。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种基于布尔运算的超材料吸能结构，实现吸能盒的轻量化防护以及高效吸能。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于布尔运算的超材料吸能结构，包括吸能盒，所述吸能盒由多个超材料结构组成；所述超材料结构由多个超材料单体组成；一薄球壳置于一正多边形棱柱的内部，所述正多边形棱柱的中心与所述正多边形棱柱的各个侧面及底面的垂直距离小于所述薄球壳的半径；所述薄球壳与正多边形棱柱通过布尔运算即：所述薄球壳置于所述正多边形棱柱内溢出所述正多边形棱柱的各个侧面及底面的部分为溢出部，所述薄球壳去除所述溢出部，得到所述超材料单体。
5.在一较佳的实施例中，所述薄球壳包括两个设置于上下底面的第一溢出部以及多个设置于周向的第二溢出部；所述薄球壳去除第一溢出部后形成第一缺口，所述薄球壳去除第二溢出部后形成第二缺口。
6.在一较佳的实施例中，所述超材料单体在水平方向上两两之间通过第二缺口的一一对应连接形成超材料单元；所述超材料单元在竖直方向上通过第一缺口的一一对应连接实现超材料单元的层层叠加形成所述超材料结构。
7.在一较佳的实施例中，所述正多边形棱柱的中心与所述正多边形棱柱的各个侧面及底面的垂直距离均相同。
8.在一较佳的实施例中，所述薄球壳的厚度方向上依次设置有第一轻质层、孔隙结构层及第二轻质层。
9.在一较佳的实施例中，所述第一轻质层及第二轻质层包括上下两层金属板以及设置于所述金属板之间的金属条；所述金属条垂直于所述金属板设置。
10.在一较佳的实施例中，所述孔隙结构层内设置有多个孔隙，所述孔隙的长度方向位于所述孔隙结构层的水平方向上。
11.在一较佳的实施例中，所述超材料结构具体为三维晶格超材料结构。
12.相较于现有技术，本实用新型的技术方案具备以下有益效果：
13.1.利用几何运算设计的超材料晶格单元，力学性能优异。
14.本实用新型所提出的利用布尔运算方法设计的超材料单元能够很好结合两种几何结构之间的优势，最大化几何结构之间的力学性能，具有优异的力学性能，提升防护结构的功效。
15.2.超材料单元连接简易，结构可编程性强。
16.本实用新型提出的超材料单元设计过程简单，连接简易设计性强，通过不同结构或几何进行几何运算即可得到不同形状以及力学性能的超材料结构，具有强的可编程性。
17.3.三明治夹层结构，提升结构的强度及刚度，增强防护吸能性能。
18.每个超材料单元都由三明治夹层组成，中间夹层的仿生式孔隙结构能够优化结构的质量及强度性能，外围的“工”字截面板能够着力提高结构的刚度，从而是三明治阶层结构进一步提高结构的防护性能，促进结构的碰撞过程中吸收更多能量，保障被防护品的安全性。
19.4.整体相对密度小，实现结构轻量化。
20.三维晶格超材料以及组成它的三明治结构均具有较高的孔隙率，相对密度小。通过合理的结构、尺寸配置能够保证在改善结构力学性能的同时，大程度的提高结构的轻量化水平。
附图说明
21.图1为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的吸能盒整体结构示意图；
22.图2为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的超材料结构的结构示意图；
23.图3为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的超材料结构的侧视图；
24.图4为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的超材料单元的俯视图；
25.图5为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的超材料单体的结构示意图；
26.图6为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的薄球壳与正多边形棱柱的位置关系示意俯视图；
27.图7为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的薄球壳与正多边形棱柱的位置关系示意侧视图；
28.图8为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的第一轻质层、孔隙结构层及第二轻质层的位置关系示意图；
29.图9为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的第一轻质层的结构示意图；
30.图10为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的孔隙结构层的结构示意图；
31.图11为本实用新型优选实施例中基于布尔运算的超材料吸能结构的孔隙结构层的截面示意图。
具体实施方式
32.下文结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。
33.一种基于布尔运算的超材料吸能结构，参考图1至11，包括吸能盒1，所述吸能盒1由多个超材料结构11组成；所述超材料结构11由多个超材料单体111组成；一薄球壳113置于一正多边形棱柱112的内部，所述正多边形棱柱112的中心与所述正多边形棱柱112的各个侧面及底面的垂直距离小于所述薄球壳113的半径；所述薄球壳113与正多边形棱柱112通过布尔运算即：所述薄球壳113置于所述正多边形棱柱112内溢出所述正多边形棱柱112的各个侧面及底面的部分为溢出部，所述薄球壳113去除所述溢出部，得到所述超材料单体111。本实用新型所提出的利用布尔运算方法设计的超材料单元12能够很好结合两种几何结构之间的优势，最大化几何结构之间的力学性能，具有优异的力学性能，提升防护结构的功效。本实用新型提出的超材料单元12设计过程简单，连接简易设计性强，通过不同结构或几何进行几何运算即可得到不同形状以及力学性能的超材料结构11，具有强的可编程性。
34.所述薄球壳113包括两个设置于上下底面的第一溢出部以及多个设置于周向的第二溢出部；所述薄球壳113去除第一溢出部后形成第一缺口1111，所述薄球壳113去除第二溢出部后形成第二缺口1112。
35.所述超材料单体111在水平方向上两两之间通过第二缺口1112的一一对应连接形成超材料单元12；所述超材料单元12在竖直方向上通过第一缺口1111的一一对应连接实现超材料单元12的层层叠加形成所述超材料结构11。
36.所述正多边形棱柱112的中心与所述正多边形棱柱112的各个侧面及底面的垂直距离均相同。
37.所述薄球壳113的厚度方向上依次设置有第一轻质层2、孔隙结构层3及第二轻质层4。所述第一轻质层2及第二轻质层4包括上下两层金属板21以及设置于所述金属板21之间的金属条22；所述金属条22垂直于所述金属板21设置。所述孔隙结构层3内设置有多个孔隙31，所述孔隙31的长度方向位于所述孔隙结构层3的水平方向上。每个超材料单元12都由三明治夹层组成，中间夹层的仿生式孔隙结构能够优化结构的质量及强度性能，外围的“工”字截面板能够着力提高结构的刚度，从而是三明治阶层结构进一步提高结构的防护性能，促进结构的碰撞过程中吸收更多能量，保障被防护品的安全性。
38.所述超材料结构11具体为三维晶格超材料结构11。三维晶格超材料以及组成它的三明治结构均具有较高的孔隙率，相对密度小。通过合理的结构、尺寸配置能够保证在改善结构力学性能的同时，大程度的提高结构的轻量化水平。
39.每个三维晶格单元由薄壳球与其同中心的多边形棱柱进行布尔交运算后，保留其中薄球壳113部分的方法设计而成。该设计方法充分利用球体与多边形之间相互的优势，通过合理的尺寸设计能够通过布尔交集运算分法则使得运算后的结构结合两种几何结构的优势，从而获得在相应空间分布下最优的力学性能，最大程度的利用设计空间来提升结构在受到碰撞时的能量吸收能力。另一方面，由于不同几何能够发挥出不同力学优势，亦可通过不同的几何构型之间来进行布尔运算，从而得到具有不同力学特征的不同的超材料单元12，从而能够起到不同的吸能特性。在本实施例中，采用的是正三边形棱柱。因此本实用新型能够广泛的适用于不同工况下的防护情况，能够通过本实用新型的设计方法来设计出具有相应防护需求的吸能结构。
40.针对于每一个三维晶格的超材料单元12，其在厚度方向上并非完全密实，而是由三明治结构组成。该三明治结构主要有中间部分的孔隙结构层3以及在孔隙结构外部所覆盖轻质层组成。包围中间孔隙结构的轻质层由两层金属板21以及中间垂直于两板的金属条22组成，使得其在界面上呈现出“工”字形状，提升结构的刚度，以在避免有污染物进入中间结构的同时又优化了结构的力学性能。中间孔隙结构通过对一块材料在受载时的性能特点进行结构优化，在受力方向上打穿几个通孔使得在有优异力学性能的同时实现轻量化，通孔的截面形状由周期性的双曲面组成，该形状的通孔充分利用了竹子的截面特性，保证结构的强度及刚度。
41.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均属于侵犯本实用新型保护范围的行为。