一种可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构的制作方法

本技术属于航空航天、兵器装备缓冲吸能防护，具体涉及一种可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构。

背景技术：

1、航空航天和兵器装备等设备在正常服役期间，长时间处于恶劣的空间或战场环境中，极易受到各类冲击载荷作用所带来的不利影响。例如，航天器在着陆过程中会遭受数倍于自身重力的过载冲击；各类武器装备和防护设施在受到导弹、炸药等的袭击时，也会遭受严重的爆轰波过载冲击破坏作用。因此，有必要对航天器和武器装备等设施采取必要的防护措施，以确保其运行安全。目前，常见的缓冲吸能防护结构包括蜂窝、泡沫、负泊松比结构等多孔材料和以这些多孔材料为芯材制成的各类复合夹芯结构。在受到冲击载荷时，这类缓冲吸能防护结构具有较为明显的应力应变曲线平台区，从而可吸收较多的外界冲击能量，使得关键仪器设备免受冲击作用引起的破坏。

2、然而在应用过程中，发现上述缓冲吸能防护结构仍存在一些不足：常规缓冲吸能防护结构的弹性变形阶段过于短暂，导致冲击初始阶段载荷迅速上升，会形成一个较高的瞬时过载，从而以“硬碰硬”的方式传递给后方被保护设备，造成冲击破坏风险；常规缓冲吸能防护结构主要通过自身微结构的局部渐进屈曲和破坏来吸收冲击能量，但这一过程并不是可逆的，发生了永久破坏的部分无法恢复如初，因此无法实现重复利用的效果。

3、综上所述，目前的常规缓冲吸能防护结构具有弹性变形阶段过于短暂、易造成瞬时过载、无法重复使用等不足。

技术实现思路

1、(一)要解决的技术问题

2、本实用新型要解决的技术问题是：针对现有缓冲吸能防护结构的不足之处，如何提供一种可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构。

3、(二)技术方案

4、为解决上述技术问题，本实用新型提供一种可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构，所述类弹簧超结构由具有圆形、方形、六边形、内凹负泊松比型、自锁型截面形状的空心管或填充管螺旋盘绕而成。

5、其中，所述自锁型截面是指任何具有上下镶嵌互补特征的异型截面形状。

6、其中，所述空心管或填充管的管壁采用铝合金、钛合金、复合材料或形状记忆合金制成。

7、其中，所述填充管的内部填充材料包括各类泡沫、蜂窝或其他多孔填充材料。

8、其中，所述空心管或填充管的管壁采用圆形、方形或其他形状的孔洞阵列镂空设计，以实现所述结构的热流交换特性。

9、其中，所述结构的螺旋盘绕方式包括为圆柱螺旋盘绕、锥形螺旋盘绕或其他异型螺旋盘绕方式，以调控所述结构的弹塑性力学性能。

10、其中，通过调整所述结构的螺旋角、极角、圈数、节距、盘绕直径、管径、壁厚的几何参数的分布形式，实现对该结构力学性能的调控。

11、(三)有益效果

12、本实用新型以常见圆柱形螺旋弹簧为设计灵感，提供一种新型的类弹簧超结构，该结构在受压初期具有充足的弹性缓冲吸能阶段，结构在该阶段主要通过弹性变形吸收冲击能量，具有可恢复性，当超过弹性阶段结构可利用局部微元的渐进压溃破坏吸收大量外部冲击能量，因此该类结构具有在小能量冲击下可重复使用、在大能量冲击下具有高效缓冲吸能的效果。

13、与现有技术相比较，本实用新型的可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构(以下简称：该种结构)，带来的技术效果体现在以下几个方面：

14、1)将空心管或填充管盘绕成螺旋状结构，可使其在外部冲击载荷的作用下，首先表现出类似于常规弹簧的力学特性，即具有一条斜率非常平缓的特性线，由此可对冲击载荷起到缓冲效果，从而避免在结构屈服破坏之前对设备造成高过载破坏作用。

15、2)由于该种结构的弹性变形阶段明显，因此其应力曲线光滑，增长斜率平缓，不会在结构屈服破坏时造成瞬时过载。

16、3)当该种结构在冲击载荷的持续作用下被压缩至紧密贴合后，会形成一种由多层空心圆环堆叠而成的吸能管结构。各层空心圆环在冲击载荷的作用下出现逐层压溃破坏失效，使该种结构的应力-应变曲线不再单调上升，而是形成了一个明显的平台阶段，从而达到有效吸收冲击能量的效果。

17、4)通过改变该种结构的管壁材料、填充材料、盘绕方式以及螺旋角、节距、管径和壁厚等关键几何参数，可对应力-应变曲线的弹性阶段斜率、平台段的应力水平等特征加以调节，以实现调控该种结构力学特性的效果。

18、5)当受到较小的冲击载荷时，该种结构处于弹性变形阶段，因此可以实现小载荷下重复使用的缓冲防护效果；若空心管由形状记忆合金制成，则该种结构的弹性变形-塑性压溃全阶段皆可实现重复使用效果。

19、6)在空心管或填充管的管壁上增加空洞阵列镂空设计，可进一步调控该种结构的力学特性，同时还可以使其具有热流交换等额外功能。

20、7)采用不同的空心管截面形状，可实现不同的逐层压溃效果，从而满足不同的工程需求。如：采用四边形或六边形截面的空心管，可使该种结构在受压紧密贴合时，形成由多层四方蜂窝或六方蜂窝空心圆环构成的吸能管结构；采用异型自锁截面形状的空心管，可使该种结构通过上下圆环之间的镶嵌互补锁定来构成稳定性更强的多层吸能管结构；采用内凹负泊松比型截面形状的空心管，可使种结构在受压变形时实现泊松比为负的超常力学特性。

技术特征：

1.一种可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构，其特征在于，所述类弹簧超结构由具有圆形、方形、六边形、内凹负泊松比型、自锁型截面形状的空心管或填充管螺旋盘绕而成。

2.如权利要求1所述的可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构，其特征在于，所述自锁型截面是指任何具有上下镶嵌互补特征的异型截面形状。

3.如权利要求1所述的可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构，其特征在于，所述空心管或填充管的管壁采用铝合金、钛合金、复合材料或形状记忆合金制成。

4.如权利要求1所述的可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构，其特征在于，所述填充管的内部填充材料包括各类泡沫、蜂窝或其他多孔填充材料。

5.如权利要求1所述的可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构，其特征在于，所述空心管或填充管的管壁采用圆形、方形或其他形状的孔洞阵列镂空设计。

6.如权利要求1所述的可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构，其特征在于，所述结构的螺旋盘绕方式包括为圆柱螺旋盘绕、锥形螺旋盘绕或其他异型螺旋盘绕方式。

技术总结
本技术属于航空航天、兵器装备缓冲吸能防护技术领域，具体涉及一种可重复高效缓冲吸能的类弹簧超结构，由具有圆形、方形、六边形、内凹负泊松比型、自锁型或其他异型截面形状的空心管或填充管螺旋盘绕而成；通过调整所述结构的螺旋角、极角、圈数、节距、盘绕直径、管径、壁厚等几何参数的分布形式，实现对该结构力学性能的调控。与常规泡沫、蜂窝等传统吸能材料相比，本技术可实现高效缓冲吸能的防护目的，并可达到可重复利用的效果。

技术研发人员：崔天宁,秦庆华,张威,赵金磊,张鹏飞,李凯凯,张志伟,柴进,贾金龙
受保护的技术使用者：西安现代控制技术研究所
技术研发日：20230418
技术公布日：2024/1/15