一种几何锁定式蜂窝结构、耗能装置及防撞装置

本发明涉及蜂窝结构，具体涉及到一种具有各向同性的两阶段几何锁定式蜂窝结构。

背景技术：

1、随着人类对科学技术的不断探索，天然材料已逐渐不能满足日益扩大的使用需求，对具有超常物理特性的材料需求越来越急切，得益于3d打印技术的迅速发展，具有复杂结构的耗能结构应运而生。在现有的耗能结构中，正六边形蜂窝板已经拥有了较为成熟的工艺体系，其具有轻质高强、相对密度低和优异的耗能能力等特性，是目前应用较为广泛的材料。其优越的耗能性能使蜂窝材料的应用领域十分广阔，如航空航天材料、耗能结构、防撞结构等。

2、传统蜂窝结构是一种各向异性材料，其共面强度远远低于异面强度，共面方向耗能能力很差，因此其应用场景有较多的限制。现有的传统蜂窝耗能材料可以实现高效的能量吸收，但是应力-应变曲线通常仅有一个平台段，无法实现多级缓冲吸能，这就使得在面对多级缓冲的工况时，需要将多种缓冲材料结合在一起，这不仅对制作工艺有极高的要求，也影响最终的耗能效果，将大大限制蜂窝结构的应用空间。也就是说，现在技术中存在共面耗能能力过低、蜂窝结构无法满足多阶段耗能需求的不足。

技术实现思路

1、本发明提供一种具有各向同性的两阶段几何锁定式耗能蜂窝结构、耗能装置及防撞装置，具有多阶段耗能能力、各向同性和良好的可编程性。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、本发明首先提供一种几何锁定式蜂窝结构，由基本单元在空间中沿着xy平面、xz平面、yz平面通过镜像拓扑得到；所述基本单元由六个折纸管相互连接组成；所述折纸管一端开口，另一端为封闭的底面；六个所述折纸管底面相互垂直并围合成一正六面体结构；所述折纸管包括与底面连接的第一管段和与开口连接第二管段，镜像的两个所述基本单元公用一个所述折纸管且镜像位置为第一管段与第二管段的连接处。

4、作为本发明的进一步优选，所述相邻基本单元沿着xy平面、xz平面、yz平面通过镜像拓扑得到。

5、作为本发明的进一步优选，所述蜂窝结构具有几何锁定式的特征，通过相邻基本单元镜像对称拓扑（旋转）形成的蜂窝构型为几何锁定式，受压缩时，各基本单元垂直于受压方向的折纸管由于几何冲突，发生挤压锁定，提供第二阶段耗能。

6、作为本发明的进一步优选，所述基本单元的结构、大小均相同。

7、作为本发明的进一步优选，所述基本单元之间的连接折纸管称为连接管，连接管的数量k≥1。

8、作为本发明的进一步优选，所述折纸管为三浦折叠型结构，每个折纸管包括两个镜像的三浦折叠结构，每个三浦折叠结构由四个完全相同的平行四边形组成，将平行四边形的控制参数分别定义为高、宽和夹角。

9、作为本发明的进一步优选，所述夹角范围为55°-90°。

10、作为本发明的进一步优选，所述平行四边形高和宽的比值范围为0.5-2。

11、本发明还提供一种耗能装置，包括上述提供的几何锁定式蜂窝结构。

12、本发明还提供一种防撞装置，包括上述提供的几何锁定式蜂窝结构。

13、通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益技术效果：

14、1．本发明提供的具有各向同性的两阶段几何锁定式耗能蜂窝结构，所有的几何参数都可以在初始设计时进行调整，从而调控蜂窝结构的力学性能，具有良好的可编程性。

15、2．本发明提供的具有各向同性的两阶段几何锁定式耗能蜂窝结构，折纸管在x、y、z三向进行排列，能够实现三向各向同性的性质，可满足具有多向缓冲要求的结构设计。

16、3．本发明提供的具有各向同性的两阶段几何锁定式耗能蜂窝结构，在受到不同方向压缩荷载时，在相同的相对密度和空间尺寸下，几何锁定式六面体超材料在异面耗能能力能达到传统蜂窝的70%以上，共面耗能能力则是传统蜂窝的9~10倍，面外、面内耗能能力非常优异。

17、4．本发明提供的具有各向同性的两阶段几何锁定式耗能蜂窝结构，在受到外部荷载时可以提供两阶段耗能能力，当在外侧施加压缩荷载时，压缩方向上的折纸管首先发生折叠变形以提供第一阶段耗能，随后正交方向上的折纸管发生变形提供第二阶段耗能，可满足具有多级缓冲需求的结构设计要求。

技术特征：

1.一种几何锁定式蜂窝结构，其特征在于：由基本单元在空间中沿着xy平面、xz平面、yz平面通过镜像拓扑得到；所述基本单元由六个折纸管相互连接组成；所述折纸管一端开口，另一端为封闭的底面；六个所述折纸管底面相互垂直并围合成一正六面体结构；所述折纸管包括与底面连接的第一管段和与开口连接第二管段，镜像的两个所述基本单元公用一个所述折纸管且镜像位置为第一管段与第二管段的连接处。

2.根据权利要求1所述的几何锁定式蜂窝结构，其特征在于：所述折纸管为三浦折叠型结构，每个折纸管包括两个镜像的三浦折叠结构，每个三浦折叠结构由四个完全相同的平行四边形组成。

3.根据权利要求2所述的几何锁定式蜂窝结构，其特征在于：构成所述折纸管的平行四边形的夹角范围为55°-90°。

4.根据权利要求3所述的几何锁定式蜂窝结构，其特征在于：构成所述折纸管的平行四边形的高和宽的比值范围为0.5-2。

5.一种耗能结构，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的几何锁定式蜂窝结构。

6.一种防撞结构，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的几何锁定式蜂窝结构。

技术总结
本发明公开了一种几何锁定式蜂窝结构、耗能装置及防撞装置，几何锁定式蜂窝结构由基本单元在空间中沿着XY平面、XZ平面、YZ平面通过镜像拓扑得到；所述基本单元由六个折纸管相互连接组成；所述折纸管一端开口，另一端为封闭的底面；六个所述折纸管底面相互垂直并围合成一正六面体结构；所述折纸管包括与底面连接的第一管段和与开口连接第二管段，镜像的两个所述基本单元公用一个所述折纸管且镜像位置为第一管段与第二管段的连接处。本发明的折纸管在X、Y、Z三个方向上镜像拓扑均匀布置，可以满足各向同性的需求，通过结构设计可以实现两阶段耗能目标，同时可以通过调整设计参数改变该蜂窝结构的力学性能，具有广泛的应用前景。

技术研发人员：蔡建国,张慧中,陈华炜,孙逸夫,张骞,冯健
受保护的技术使用者：东南大学深圳研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13