本發(fā)明涉及一種提高結(jié)構(gòu)強度的蜂窩結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，可用于包裝工程、車輛被動安全防護、星球探測著陸緩沖等領(lǐng)域以及建筑行業(yè)中作為支撐功能結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

蜂窩結(jié)構(gòu)作為一種優(yōu)良環(huán)保的緩沖材料以及支撐結(jié)構(gòu)，具有無污染、成本低、彈性好且承重量大等優(yōu)點，其在結(jié)構(gòu)破損和塑性變形的過程中會吸收大量能量，且整個過程以較低的質(zhì)量吸收較大的沖擊力，是一種極具發(fā)展空間的運輸包裝材料和緩沖吸能材料，在運輸包裝和被動安全防護中占有重要地位，同時由于結(jié)構(gòu)強度大，質(zhì)量輕在建筑行業(yè)中經(jīng)常被用作支撐結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)強度是評價蜂窩結(jié)構(gòu)性能的重要指標，結(jié)構(gòu)強度決定了蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖吸能能力和支撐強度，結(jié)構(gòu)強度可通過計算蜂窩結(jié)構(gòu)受壓縮載荷產(chǎn)生的抵抗力平均值得到。當蜂窩結(jié)構(gòu)作為緩沖結(jié)構(gòu)時，吸能能力可通過蜂窩結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度與有效工作行程（工作過程中載荷方向位移）乘積得到。因此，提升蜂窩結(jié)構(gòu)吸能能力主要通過提高蜂窩結(jié)構(gòu)強度或增加蜂窩結(jié)構(gòu)有效工作行程實現(xiàn)。然而傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)通常為平整的正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)強度和有效工作行程與結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，在不改變結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下難以有效提高吸能能力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高結(jié)構(gòu)強度的蜂窩結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，通過對蜂窩結(jié)構(gòu)異面方向進行周期性折疊處理，以提高蜂窩結(jié)構(gòu)共面方向結(jié)構(gòu)強度進而提高吸能能力。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種提高結(jié)構(gòu)強度的蜂窩結(jié)構(gòu)，由中空蜂窩胞元多面體結(jié)構(gòu)組成，定義中空方向為Z軸方向，在與Z軸垂直的任意平面內(nèi)選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向，沿蜂窩胞元結(jié)構(gòu)Z軸方向進行周期性折疊，每周期折疊兩次作為一個折疊單元，第一次折疊時折疊方向任意，第二次折疊方向與第一次折疊方向相反，每個折疊周期高度取蜂窩胞元X-Y截面最長邊值，將每個折疊單元沿Z軸方向連接，連接后結(jié)構(gòu)沿X-Y平面方向進行陣列式分布，組成周期性折疊蜂窩結(jié)構(gòu)。

每次折疊后蜂窩胞元表面與折疊前蜂窩胞元表面夾角范圍為10°～34°。

蜂窩胞元結(jié)構(gòu)可以為相同胞元結(jié)構(gòu)，也可以為不同胞元結(jié)構(gòu)。

對于正六邊形相同蜂窩胞元多面體、正三邊形相同蜂窩胞元多面體和正四邊形相同蜂窩胞元多面體，每個折疊周期高度均取蜂窩胞元X-Y截面最長邊值。

一種提高結(jié)構(gòu)強度的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，蜂窩結(jié)構(gòu)由中空蜂窩胞元多面體結(jié)構(gòu)組成，沿蜂窩胞元結(jié)構(gòu)Z軸方向進行周期性折疊，每周期折疊兩次，具體步驟為：

（1）建立坐標系：以蜂窩胞元中空方向為坐標系Z軸方向，在與Z軸垂直且為每個折疊周期交界平面上選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向；

（2）折疊蜂窩設(shè)計：第一次折疊首先選取高度為蜂窩X-Y平面方向各蜂窩胞元中最長邊長度一半的蜂窩胞元進行折疊，折疊后蜂窩胞元表面與X-Z平面方向夾角范圍為10°～26°，折疊后蜂窩胞元表面與Y-Z平面方向夾角范圍為30°～44°；

（3）第二次折疊選擇與第一次折疊同樣高度蜂窩胞元進行折疊，折疊方向與第一次方向相反，折疊后蜂窩胞元表面與X-Z平面方向夾角范圍為10°～26°，折疊后蜂窩胞元表面與Y-Z平面方向夾角范圍為30°～44°；

（4）重復(fù)步驟（2）、步驟（3）N次，將N次折疊后的蜂窩胞元沿Z軸方向連接，并將連接好的胞元組合在X-Y平面內(nèi)陣列。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

（1）本發(fā)明蜂窩結(jié)構(gòu)由周期性折疊的蜂窩胞元陣列組成，周期性折疊可提高蜂窩結(jié)構(gòu)共面方向結(jié)構(gòu)強度，提高蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖吸能能力，同時，該蜂窩結(jié)構(gòu)具有近似各向同性特性；對每個折疊周期的蜂窩胞元進行兩次折疊，第一次折疊方向任意，第二次折疊方向與第一次折疊方向相反，折疊后蜂窩胞元表面與折疊前蜂窩胞元表面夾角范圍在10°～34°間，將周期性折疊蜂窩胞元沿異面方向進行串聯(lián)連接，連接后在共面方向進行陣列，可以有效的提高蜂窩結(jié)構(gòu)共面方向結(jié)構(gòu)強度進而提高其緩沖吸能能力；

（2）本發(fā)明的設(shè)計方法為一種通用方法，對金屬和非金屬蜂窩結(jié)構(gòu)以及不同蜂窩胞元多面體拓撲構(gòu)型的蜂窩結(jié)構(gòu)共面方向結(jié)構(gòu)強度均有提升；

（3）本發(fā)明涉及的蜂窩結(jié)構(gòu)與設(shè)計方法，擴展了蜂窩緩沖結(jié)構(gòu)在被動安全領(lǐng)域的應(yīng)用，通過合理的折疊設(shè)計，可應(yīng)用于包裝防護工程、交通車輛被動安全防護以及星球探測、小行星探測等緩沖結(jié)構(gòu)中，由于本發(fā)明可以顯著提高蜂窩結(jié)構(gòu)共面方向結(jié)構(gòu)強度，使傳統(tǒng)的各向異性蜂窩結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻聘飨蛲苑涓C結(jié)構(gòu)，可滿足具有多向沖擊載荷作用的緩沖結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

附圖說明

圖1為蜂窩結(jié)構(gòu)各方向示意圖；

圖2為蜂窩結(jié)構(gòu)截面圖；

圖3為共面載荷作用下蜂窩結(jié)構(gòu)載荷-位移曲線圖；

圖4為本發(fā)明周期性折疊蜂窩結(jié)構(gòu)圖；

圖5 為本發(fā)明實施例1經(jīng)周期性折疊后蜂窩結(jié)構(gòu)載荷-位移曲線圖；

圖6 為未經(jīng)折疊處理的蜂窩結(jié)構(gòu)載荷-位移曲線圖；

圖7 為本發(fā)明實施例2經(jīng)周期性折疊后蜂窩結(jié)構(gòu)載荷-位移曲線圖；

圖8 為本發(fā)明實施例3經(jīng)周期性折疊后蜂窩結(jié)構(gòu)載荷-位移曲線圖；

圖9為圖4的局部放大圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細地描述。

如圖1所示，蜂窩結(jié)構(gòu)Z軸方向稱為異面方向，蜂窩結(jié)構(gòu)X-Y平面方向稱為共面方向。本發(fā)明涉及一種提高蜂窩結(jié)構(gòu)共面方向結(jié)構(gòu)強度的蜂窩結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，蜂窩結(jié)構(gòu)由中空蜂窩胞元多面體結(jié)構(gòu)組成，沿蜂窩胞元結(jié)構(gòu)異面方向進行周期性折疊，每周期折疊兩次作為一個折疊單元，第一次折疊時折疊方向任意，第二次折疊方向與第一次折疊方向相反，每個折疊周期高度取蜂窩胞元X-Y截面最長邊值，定義蜂窩胞元中空方向為坐標系Z軸方向，在與Z軸垂直的任意平面內(nèi)選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向，將每個折疊單元沿Z軸方向連接，連接后結(jié)構(gòu)沿X-Y平面方向進行陣列式分布，組成周期性折疊蜂窩結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，蜂窩結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)包括胞元厚度t(mm)，胞元邊長l(mm)與w(mm)，以及胞元夾角α。

當蜂窩結(jié)構(gòu)受到共面載荷作用時，其變形過程力學(xué)特性可以分為三個階段：初始階段的彈性變形階段，穩(wěn)態(tài)塑性壓潰階段及密實階段，如圖3所示，對于蜂窩結(jié)構(gòu)，在加載的初始階段中，蜂窩胞元發(fā)生彎曲變形，載荷未達到蜂窩結(jié)構(gòu)屈曲強度之前，載荷表現(xiàn)出隨應(yīng)變增加而線性增大的趨勢，當載荷超過屈曲強度時，蜂窩結(jié)構(gòu)進入塑性變形階段，蜂窩結(jié)構(gòu)在彈性區(qū)的最大載荷值定義為峰值載荷P_cr。蜂窩結(jié)構(gòu)進入塑性變形階段后，通過沿共面方向的塑性彎曲變形吸收能量，通常將該階段載荷的平均值定義為蜂窩結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度P_m。伴隨著變形逐漸增加，蜂窩結(jié)構(gòu)最終被壓實，其胞元材料進一步堆疊在一起，導(dǎo)致最后階段載荷急劇增大。吸能能力是表征蜂窩結(jié)構(gòu)吸能性能和緩沖裝置設(shè)計的一個重要指標，通常定義在極限位移（d_l）下，蜂窩結(jié)構(gòu)變形過程吸收的能量E為蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度與極限位移的乘積，即E=P_mXd_l。

通過以下建模方法可實現(xiàn)本發(fā)明涉及的蜂窩結(jié)構(gòu)建模，如圖4所示，在蜂窩結(jié)構(gòu)異面方向取一特定長度H作為折疊模塊對蜂窩結(jié)構(gòu)進行周期性折疊處理。每一折疊模塊可劃分為兩部分，其頂端截面與底端截面結(jié)構(gòu)參數(shù)在X-Y方向完全一致，通過改變兩端相交處截面位置實現(xiàn)折疊處理。每個折疊周期長度H=2l，將該區(qū)域沿Z方向平均分為兩部分，其中上部分頂端截面稱為截面1，下部分底端截面稱為截面2，兩部分相交截面稱為截面3，三個截面拓撲構(gòu)型與結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，且截面1沿Z向在X-Y平面的投影與截面2在X-Y平面內(nèi)位置重合，通過調(diào)整截面3在X-Y平面的位置，來確定每個折疊周期的折疊形式。

如圖9所示，在上端折疊區(qū)域建立局部坐標系x`y`z`，設(shè)E點為圓點O`，EF邊與x`軸重合，且截面2在x`o`y`平面內(nèi)。定義截面1中A點坐標為x_1A`y<sub>1A</sub>`z_1A`，B點坐標為x<sub>1B</sub>`y_1B`z<sub>1B</sub>`，截面2中E點坐標為x_2E`y<sub>2E</sub>`z_2E`，F點坐標為x<sub>2F</sub>`y_2F`z<sub>2F</sub>`，截面3中C點坐標為x_3C`y<sub>3C</sub>`z_3C`，D點坐標為x<sub>3D</sub>`y_3D`z<sub>3D</sub>`。按照折疊處理要求，對三個截面6個點坐標有如下限制：x_1A`= x<sub>2E</sub>`= x_3C`-w/4，y<sub>1A</sub>`= y_2E`= y<sub>3C</sub>`-l/4，z_1A`=2l，z<sub>2E</sub>`=0，z_3C`=l，x<sub>1B</sub>`= x_2F`= x<sub>3D</sub>`-w/4，y_1B`= y<sub>2F</sub>`= y_3D`-l/4，z<sub>1B</sub>`=2l，z_2F`=0，z<sub>3D</sub>`=l，即z方向上截面3位于截面1與截面2正中，且截面3與其它兩截面在x`- y`面內(nèi)x`方向相差w/4，y`方向相差l/4。

一種提高結(jié)構(gòu)強度的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，蜂窩結(jié)構(gòu)由中空蜂窩胞元多面體結(jié)構(gòu)組成，沿蜂窩胞元結(jié)構(gòu)Z軸方向進行周期性折疊，每周期折疊兩次，具體步驟為：

（1）建立坐標系：以蜂窩胞元中空方向為坐標系Z軸方向，在與Z軸垂直且為每個折疊周期交界平面上選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向；

（2）折疊蜂窩設(shè)計：第一次折疊首先選取高度為蜂窩X-Y平面方向各蜂窩胞元中最長邊長度一半的蜂窩胞元進行折疊，折疊后蜂窩胞元表面與X-Z平面方向夾角范圍為10°～26°，折疊后蜂窩胞元表面與Y-Z平面方向夾角范圍為30°～44°；

（3）第二次折疊選擇與第一次折疊同樣高度蜂窩胞元進行折疊，折疊方向與第一次方向相反，折疊后蜂窩胞元表面與X-Z平面方向夾角范圍為10°～26°，折疊后蜂窩胞元表面與Y-Z平面方向夾角范圍為30°～44°；

（4）重復(fù)步驟（2）、步驟（3）N次，將N次折疊后的蜂窩胞元沿Z軸方向連接，并將連接好的胞元組合在X-Y平面內(nèi)陣列。

實施例1：

取蜂窩胞元邊長l為6mm，w為6mm，厚度t為0.04mm，胞元夾角α為30°,蜂窩結(jié)構(gòu)包絡(luò)尺寸為67mmX68mmX48mm。建立坐標系1，以蜂窩結(jié)構(gòu)異面方向為坐標系Z軸方向，在選取蜂窩頂端所在平面為XY平面，選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向；對蜂窩沿異面方向進行兩次折疊，第一次折疊后折疊區(qū)域蜂窩結(jié)構(gòu)與XZ平面方向夾角為10°，與YZ平面方向夾角為30°，第一次折疊蜂窩高度為3mm；第二次折疊與第一次折疊方向相反，同樣折疊后折疊區(qū)域蜂窩結(jié)構(gòu)與XZ平面方向夾角為10°，與YZ平面方向夾角為30°，折疊高度為3mm。

經(jīng)折疊后蜂窩結(jié)構(gòu)受共面方向載荷作用下的載荷-位移曲線如圖5所示，未經(jīng)折疊處理的蜂窩結(jié)構(gòu)受共面方向載荷作用下的載荷-位移曲線如圖6所示，通過計算可得本實施例經(jīng)周期性折疊處理的蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度為P_m=66.92N，極限位移d_l=48mm，總吸能量E=P_mXd_l=3.212J。本案例未經(jīng)周期性折疊處理的蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度為P_m=14.71N，極限位移d_l=53mm，總吸能量E= P_mXd_l=0.78J。本方法折疊后的蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度提高了4.6倍，吸能能力提高了4.12倍。

實施例2：

取蜂窩胞元邊長l為6mm，w為6mm，厚度t為0.04mm，胞元夾角α為30°，蜂窩結(jié)構(gòu)胞絡(luò)尺寸為68mmX69mmX48mm。建立坐標系1，以蜂窩結(jié)構(gòu)異面方向為坐標系Z軸方向，在選取蜂窩頂端所在平面為XY平面，選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向；對蜂窩沿異面方向進行兩次折疊，第一次折疊后折疊區(qū)域蜂窩結(jié)構(gòu)與XZ平面方向夾角為18°，與YZ平面方向夾角為30°，第一次折疊蜂窩高度為3mm。第二次折疊與第一次折疊方向相反，同樣折疊后折疊區(qū)域蜂窩結(jié)構(gòu)與XZ平面方向夾角為18°，與YZ平面方向夾角為30°,折疊高度為3mm。

經(jīng)折疊后蜂窩結(jié)構(gòu)受共面方向載荷作用下的載荷-位移曲線如圖7所示，通過計算可得本案例經(jīng)周期性折疊處理的蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度為P_m=183.92N，極限位移d_l=48mm，總吸能量E= P_mXd_l=8.828J。本案例未經(jīng)折疊處理的蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度為P_m=14.71N，極限位移d_l=53mm，總吸能量E= P_mXd_l=0.78J。本方法折疊后的蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度提高了12.5倍，吸能能力提高了11.3倍。

實施例3：

取蜂窩胞元邊長l為6mm，w為6mm，厚度t為0.04mm，胞元夾角α為30°，蜂窩結(jié)構(gòu)胞絡(luò)尺寸為68mmX69mmX48mm。建立坐標系1，以蜂窩結(jié)構(gòu)異面方向為坐標系Z軸方向，在選取蜂窩頂面所在平面為XY平面，選取蜂窩胞元任意邊長方向為X軸方向，根據(jù)右手定則確定Y軸方向；對蜂窩沿異面方向進行兩次折疊，第一次折疊后折疊區(qū)域蜂窩結(jié)構(gòu)與XZ平面方向夾角為22°，與YZ平面方向夾角為44°，第一次折疊蜂窩高度為3mm。第二次折疊與第一次折疊方向相反，同樣折疊后折疊區(qū)域蜂窩結(jié)構(gòu)與XZ平面方向夾角為22°，與YZ平面方向夾角為44°，折疊高度為3mm。

經(jīng)折疊后蜂窩結(jié)構(gòu)受共面方向載荷作用下的載荷-位移曲線如圖8所示，通過計算可得本案例經(jīng)周期性折疊處理的蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度為P_m=281.95N，極限位移d_l=45.7mm，總吸能量E= P_mXd_l=12.885J。本案例未經(jīng)周期性折疊處理的蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度為P_m=14.71N，極限位移d_l=53mm，總吸能量E= P_mXd_l=0.78J。本方法折疊后的蜂窩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度提高了19倍，吸能能力提高了16.5倍。

本發(fā)明未詳細描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。