本发明涉及折叠吸能结构领域，具体涉及一种基于曲纹折纸的可重复使用吸能结构。
背景技术：
1、能量的耗散和结构的保护是许多工程应用的要求。传统的能量吸收结构主要通过不可恢复形变的形式吸收并耗散能量，被广泛应用于航空航天、船舶和汽车行业中。现有吸能结构主要有夹层类结构、晶格结构、波纹管结构等。随着技术的发展，可重复吸能结构逐渐成为一项重要研究课题。可重复吸能结构依靠其结构特性或材料特性，可以保持具有较高能量耗散性能的同时可多次使用而不发生破坏，在保持足够的能量耗散能力和结构保护能力下节约成本、提高材料的利用率。现有的可重复吸能结构往往通过材料特性如形状记忆合金、形状记忆聚合物以及结构特性如双稳态结构、拉胀结构等实现其可重复特性。
2、稳态吸能结构作为一种可重复吸能结构，在冲击和压缩下能够发生受控的塌陷和变形，有利于实现可控的设计和能量吸收能力的可编程，主要包括稳态梁、稳态球壳、折纸稳态结构等。以往的稳态重复吸能结构，用作能量吸收的变形结构在整体结构中的占比往往较小，如稳态吸能结构往往需要强边界的约束以产生稳态行为，因此结构的质量更多集中在系统的边界，往往会造成比能量吸收低的问题，同时这也是对材料性能和质量的浪费。
3、曲纹折纸是一种非刚性可折叠折纸技术，其特点在于沿曲线折痕对曲面进行折叠弯曲。与直纹折纸相比，曲纹折纸的曲面几何与曲纹结构赋予了更大的设计空间，在变刚度设计、吸能结构设计以及双稳态与多稳态结构设计等领域展现出巨大潜力。
技术实现思路
1、本发明的目的是克服现有稳态吸能结构的不足，提供一种基于曲纹折纸的可重复使用吸能结构。该结构具有初始状态和压缩状态两种稳定状态，能够在两种状态之间实现转换；其通过刚性框架对曲纹折纸的约束，保证了压缩过程中曲边面板的受控变形，使其具有良好的承载能力；具有结构简单、制造方便、参数可调的特点。基于上述优点，本发明在工业减震、汽车防撞、自恢复安全结构、救援缓冲等高频次、低成本使用场景下具有广阔的应用前景。
2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种基于曲纹折纸的可重复使用吸能结构，包括：
4、第一子结构，由2n个刚性面板通过球面副连接形成多面体框架，所述刚性面板包括等腰三角形面板和梯形面板，且其腰长为a；
5、第二子结构，由n个可变形曲纹折纸单元组成，每个曲纹折纸单元由四个曲边面板通过转动副连接形成空间四边形轮廓，所述空间四边形轮廓的边长为a；所述第一子结构与第二子结构通过共用转动副连接，形成具有第一稳态和第二稳态的多面体双稳态结构。
6、进一步的，所述第一稳态为未压缩状态，所述曲纹折纸单元中的曲面具有初始曲率，此时吸能结构处于初始稳态平衡状态；所述第二稳态为压缩状态，所述曲纹折纸单元中的曲面变形为两平面且两平面之间具有夹角，此时吸能结构处于压缩后的稳态平衡状态；在所述两个稳态下，第一子结构与第二子结构均具有n重旋转对称性和关于xoy平面的平面对称性。
7、进一步的，所述曲纹折纸单元的空间四边形轮廓在xoy平面投影线的夹角α的取值范围为100~140度，所述曲边面板是圆锥面的一部分，作为可展曲面，其在锥面状态下的半锥角β的取值范围为70~90度，在展开为平面状态下的直边夹角γ的取值范围为70~110度。
8、进一步的，所述第一子结构中的每个刚性面板通过至少2个转动副与第二子结构连接，至少3个球面副与其他刚性面板连接，所述转动副为铰链、合页或轴承中的一种。
9、进一步的，所述第一子结构的刚性面板构造为刚性梯形面板，使得处于对称平面上的球面副退化为转动副，形成具有单自由度运动特性的sarrus连杆机构。
10、进一步的，所述刚性面板和曲纹折纸单元由不同厚度的pet材料制成，包括薄的基底层和厚的加强层，其中所述刚性面板和曲边面板由基底层和加强层粘合而成，所述球面副与转动副为基底层形成的折痕区域；实际加工制作过程中，球面副及转动副通过pet材料在连接点的弹性变形及设置去料孔结构来等效实现。
11、进一步的，若干个所述吸能结构在高度方向上通过共用转动副连接形成连续管状结构；若干个所述连续管状结构在三维空间中通过球面副连接形成三维密铺阵列，所述三维密铺阵列在平面内形成四边形密铺或六边形密铺。
12、进一步的，同一平面内若干个相邻的所述吸能结构通过球面副彼此相连形成平面六边形密铺，三维方向上，相邻的吸能结构通过转动副连接，形成连续变形阵列，当连续变形阵列整体协同变形时，相邻吸能结构的中心间距发生动态变化。
13、本发明还提供一种可重复使用吸能结构的应用，将所述的基于曲纹折纸的可重复使用吸能结构应用于工业减震、汽车防撞、自恢复安全结构或救援缓冲装置。
14、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
15、1.可调控的双稳态特性：本发明提出的结构具有2个稳定状态（初始状态和压缩状态），且稳态之间的转换可通过外部载荷进行控制，并依靠稳态跳转将加载能量锁定以实现可重复能量吸收。通过对曲纹折纸单元的关键几何参数进行调控设计，即在有效参数区间内选取空间四边形轮廓在xoy平面投影线的夹角（如100~140度）、曲边面板在锥面状态下的半锥角（如70~90度）和在展开为平面状态下的直边夹角（如70~110度），可有效调控结构的稳态位置（可编程），从而调控结构的吸能能力；可直接改变结构在稳态变换时所需的临界力，使得结构能针对特定的冲击载荷进行定制化设计，无需更换材料。
16、2.高效能量吸收：本发明提出的结构在受压发生第一稳态向第二稳态转变的过程中，变形集中在曲边面板上，而非仅在折痕处，相比于现有的稳态吸能结构具有更大的能量吸收结构体积，本发明利用了大面积曲面面板的弹性变形来储存和耗散能量，大幅增加了参与吸能的材料体积比例，可以实现更高的比能量吸收。
17、3.重复使用便捷：本发明提出的结构在压缩载荷下可以实现从初始稳定状态转变为压缩稳定状态，只需施加反向载荷即可将结构恢复至初始稳定状态，可以在实际应用中简化使用步骤，特别适用于汽车防撞（保险杠）、工业减震等场景。
18、4.结构简单且易于制造：本发明采用基于折纸原理的设计，结构相对简单，部件数量较少，连接方式清晰，所提及曲面为可展曲面。这使得结构可以通过标准化的折纸技术和现有的制造技术（如激光切割、3d打印等）实现低成本、高效率的制造和组装，降低了生产难度和成本。
19、5.本发明通过刚性三角形/梯形面板框架约束柔性曲边面板的变形路径，刚性框架限制了曲面面板的自由度，迫使其只能沿预设轨迹（sarrus连杆运动或旋转收缩）变形，防止了非预期的变形失效，提高了整体结构的承载稳定性。
20、6.能够实现模块化密铺与堆叠设计，具有n重对称性，支持高度堆叠及三维四边形/六边形密铺，通过吸能结构单元的串联（增加行程）和并联（增加刚度/覆盖面积），可以构建大面积的超材料吸能板或吸能管，且密铺结构在变形时具有协同效应，进一步提升整体稳定性；具有适应性强的多尺度防护能力。