[發(fā)明專利]一種可重復使用并具有緩沖吸能效果的柔性結構

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410205355.4
• 申請日: 2014-05-15
• 公開（公告）號: CN103982588B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發(fā)明（設計）人: 陳曦;劉益?zhèn)?/a>;鄧曉彬;周迦律;閆淵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F16F15/04
• 分類號: F16F15/04
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權代理事務所61215
• 代理人: 何會俠

技術領域

本發(fā)明涉及一種柔性結構，具體涉及一種可重復使用并具有緩沖吸能效果的柔性結構。

背景技術

目前在航天航空、船舶以及汽車制造等領域，科學家們廣泛使用蜂窩夾芯(金屬或泡沫材料)結構來吸收沖擊所帶來的能量，從而達到保護目標結構的目的。這種結構主要由上下兩個面板與蜂窩芯通過膠黏劑粘接而成，當受到外載荷時，蜂窩芯將發(fā)生坍塌破碎，從而吸收碰撞或沖擊帶來的應力波和能量。由于蜂窩芯主要由金屬或泡沫材料制成，因此其坍塌破碎過程將是不可恢復的，導致該結構在受到多次沖擊時，無法對目標結構起到有效的保護作用。

隨著對高分子材料性能研究的深入，科學家試圖利用纖維增強高聚物等材料來達到吸能效果。這些材料在受到外載荷時，通過大變形、屈曲等原理來吸收能量。這些材料在受到線性、低速沖擊時能夠較好地實現(xiàn)吸能效果，然而一旦受到非線性、高速沖擊時，其吸能效果就會大幅度下降，主要原因在于應力區(qū)域化和材料響應時間太長。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可重復使用并具有緩沖吸能效果的柔性結構，將能量轉(zhuǎn)換為填充物與鼓包間的摩擦、填充物內(nèi)部之間的摩擦以及填充物與高分子材料鼓包的變形能，從而有效地提高了能量的吸收。同時該柔性結構能夠重復使用，在多次沖擊情況下，也有良好的吸能效果。該柔性結構材料成本低廉，且重量相對較輕，適合大規(guī)模生產(chǎn)和應用。

為了達到以上目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種可重復使用并具有緩沖吸能效果的柔性結構，包括由高彈性的高分子材料制作而成的一個多個相連接的鼓包1、填充在鼓包1內(nèi)可流動的并具有重復吸能效果的填充物2以及封裝填充物2的高分子材料封裝層3。

所述高彈性的高分子材料為橡膠、改性橡膠、天然塑料或合成塑料。

所述高分子材料封裝層3的材料為橡膠、改性橡膠、天然塑料或合成塑料。

所述可流動的并具有重復吸能效果的填充物2的材料為海沙、粘土、泡沫、粘彈性聚合物或納米多孔顆粒混合流體。

所述鼓包1的形狀為任意形狀，可以為半球形、半橢球形或棱柱形。

當封裝后的柔性結構受到碰撞或沖擊時，鼓包頂部受到的壓力增大，促使整個結構發(fā)生大變形，而鼓包內(nèi)部的填充物將承受大部分的壓力。由于填充物的可流動性，因此當鼓包受到的壓力逐漸增大時，鼓包四周將向外側(cè)撐起。在填充物流動的過程中，將與鼓包發(fā)生摩擦吸收部分能量。同時填充物之間也將發(fā)生摩擦，進一步提高吸能效果。而高分子材料制作而成的鼓包本身以及填充物本身也會發(fā)生變形，將部分能量轉(zhuǎn)化為變形能。因此整個過程實際上是將機械能轉(zhuǎn)化為填充物與鼓包之間的摩擦、填充物內(nèi)部的摩擦以及填充物與高分子材料鼓包本身的變形能。同時在卸載后，由于高分子材料鼓包具有的高彈性特點以及填充物本身良好的流動性及重復吸能的特點，該柔性結構將迅速恢復到原始形態(tài)，有利于多次重復使用。

和現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

(1)當該柔性結構受到?jīng)_擊時，充分利用填充物與鼓包之間的接觸面積以及填充物內(nèi)部之間的相互作用，和高分子材料鼓包本身可以發(fā)生大變形的特點，將機械能轉(zhuǎn)化為填充物與鼓包間的摩擦、填充物內(nèi)部的摩擦以及填充物與高分子材料鼓包本身的變形能，從而有效地提高吸能的效果。

(2)通過改變鼓包的制作材料或者鼓包的形狀，或者是改變填充物的材質(zhì)，可以有效控制該柔性結構的吸能效果，使得其可以廣泛應用于各類碰撞保護。

(2)由于鼓包是用具有高彈性的高分子材料制作而成，因此即便在大變形情況下，該柔性結構也很難發(fā)生破裂，并且其磨損破壞的過程也將非常緩慢。

(3)在卸載后，該柔性結構可以很快恢復到起始形態(tài)，使得其能承受多次沖擊，并且可以很方便地重復多次使用。

(4)由于填充物良好的流動性以及高分子材料本身表現(xiàn)出的柔韌性，極大地提高了人類使用時的舒適性。

(5)該柔性結構所使用的材料成本低廉，且質(zhì)量相對較輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)和應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明柔性結構的示意圖。

圖2是本發(fā)明柔性結構吸能示意圖。

圖3是本發(fā)明柔性結構吸能效果與不加填充物時吸能效果的比較圖。

圖4是對本發(fā)明柔性結構進行重復加卸載后的應力—應變曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明做進一步詳細說明。

下面首先對本發(fā)明的原理和工作過程做如下說明：