一种芯体胞元结构、多孔结构芯体及三明治吸能结构制造技术

本发明专利技术公开了一种芯体胞元结构，包括外层和内层，外层和内层均为三周期极小曲面，外层与内层之间形成空腔，空腔内设有连接外层与内层的连接板；外层和内层上均设有向空腔外延伸的相对设置的上开口和下开口，外层和内层的周侧设置有多个向空腔外延伸的侧开口。本发明专利技术还公开了一种多孔结构芯体，包括如上所述的芯体胞元结构，相邻芯体胞元结构之间通过对应的开口对接，多个芯体胞元结构中外层和内层均形成连续的曲面。本发明专利技术还公开了一种三明治吸能结构，包括第一夹层、第二夹层和如上所述的多孔结构芯体，多孔结构芯体夹设于第一夹层和第二夹层之间。本发明专利技术的芯体胞元结构、多孔结构芯体和三明治吸能结构均具有结构简单、吸能效率高等优点。

A core cell structure, porous core structure and sandwich energy absorption structure

The invention discloses a core cell structure, which comprises an outer layer and an inner layer, the outer layer and the inner layer are all three cycle minimal curved surfaces, a cavity is formed between the outer layer and the inner layer, and a connecting plate is arranged in the cavity to connect the outer layer and the inner layer; the outer layer and the inner layer are both provided with a relatively arranged upper opening and a lower opening extending to the outside of the cavity, and the peripheral sides of the outer layer and the inner layer are provided with a plurality of openings extending to the outside of the cavity Side opening. The invention also discloses a porous structure core body, which comprises a core cell structure as described above. Adjacent core cell structures are butted through corresponding openings, and the outer layer and inner layer in a plurality of core cell structures form a continuous surface. The invention also discloses a sandwich energy absorption structure, which comprises a first sandwich, a second sandwich and a porous structure core body as described above, wherein the porous structure core body is sandwiched between the first sandwich and the second sandwich. The core cell structure, porous structure core and sandwich energy absorption structure of the invention have the advantages of simple structure and high energy absorption efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种芯体胞元结构、多孔结构芯体及三明治吸能结构
本专利技术主要涉及芯体
，特指一种芯体胞元结构、多孔结构芯体及三明治吸能结构。
技术介绍
自然界一直是人类获取专利技术创造的灵感源泉，生物体所具有的独特外形、内部微观结构及优化原理等特性，为工程技术研发人员提供新的设计思路和仿生理论参考。多孔材料广泛存在于自然界中，如木材、蜂窝(如图1所示)、动物骨骼和海绵等。仿照该类生物结构设计的一些性能优异的结构，如蜂窝铝三明治结构等，其相对密度小，比强度和比刚度大，吸能效率高，抗冲击性好，减震缓冲、隔热隔音等性能优异，是理想的轻质结构材料，一直都受到学术界和工程界的重视，特别是在航空航天飞行器、高速列车、汽车以及高速舰船等高科技领域已经得到广泛应用。目前国内外常见的三明治结构，如传统的六边形蜂窝三明治结构、专利申请号为CN103559343A的类蜂窝三明治结构、专利申请号为CN202742715U中的三明治防弹夹层板结构等，这些三明治结构主要由金属或者复合材料夹层和高孔隙率金属芯体组合而成，其中内部的芯体对三明治结构性能影响最大。随着科技的发展，汽车、航天、航海等高科技领域对结构的轻量化和高性能要求越来越高，目前上述国内外常见的三明治结构在高速碰撞情况下，抵抗冲击、减震缓冲、能量吸收存在明显不足。因此，开发一种质量轻，吸能效果更好，抗冲击能力更强，力学性能更优异的三明治夹芯结构已经成为目前各个领域中较为迫切的需求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种结构简单、吸能效率高的芯体胞元结构、多孔结构芯体及三明治吸能结构。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种芯体胞元结构，包括外层和内层，所述外层和内层均为三周期极小曲面，所述外层与内层之间形成空腔，所述空腔内设有连接外层与内层的连接板；所述外层和内层上均设有向空腔外延伸的上开口和下开口，所述上开口与下开口相对设置，所述外层和内层的周侧设置有多个向空腔外延伸的侧开口。作为上述技术方案的进一步改进：所述外层和内层均为三周期极小曲面中的P型薄片曲面，对应的隐函数为：Φp(r)＝-[cos(X)+cos(Y)+cos(Z)]＝C，其中X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，C＝0，其中x、y、z是P型薄片曲面各点在坐标系中的坐标。所述内层与外层之间呈一定的缩放比例v。所述侧开口的数量为四个，均匀分布在外层和内层的周侧。本专利技术还公开了一种多孔结构芯体，包括如上所述的芯体胞元结构，相邻芯体胞元结构之间通过对应的开口对接，多个芯体胞元结构中外层和内层均形成连续的曲面。本专利技术进一步公开了一种三明治吸能结构，包括第一夹层、第二夹层和上所述的多孔结构芯体，所述多孔结构芯体夹设于所述第一夹层和第二夹层之间。作为上述技术方案的进一步改进：所述多孔结构芯体粘贴于所述第一夹层和第二夹层之间。所述第一夹层和第二夹层为平面板或曲面板或管材。所述第一夹层和第二夹层上设置有减重孔。所述第一夹层和第二夹层为金属铝或铝合金或不锈钢或铜或镀锌铁板制成的夹层。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术的芯体胞元结构，结构简单、较低的质量就可获得较高的强度和抗冲击等力学性能，另外此三周期极小曲面的P型薄片曲面还具备光滑连续的孔隙结构，且该种孔隙结构易于控制，便于获取特定工况下的最佳孔隙度。本专利技术的多孔结构芯体，质量轻、比强度高、吸能效率高、保温性好、隔热性能好、隔音性能较好、综合性能较强；与传统蜂窝结构相比，在力学性能，机械强度，吸能效率，抗冲击性等各种性能上有明显提高，在工程应用领域中与传统蜂窝结构相比具有巨大的优势。本专利技术的三明治吸能结构，采用多孔结构芯体、吸能效率高；保温性、隔热性能、隔音性能更好，满足了航天、航海等高科技行业的需求。附图说明图1为传统铝蜂窝结构图。图2为本专利技术中芯体胞元结构的结构示意图。图3为本专利技术中芯体胞元结构的部分剖视结构图。图4为本专利技术中吸能结构在实施例一中的结构示意图。图5为本专利技术中吸能结构在实施例二中的结构示意图。图6为本专利技术中吸能结构在实施例三中的结构示意图。图7为图6的局部视图。图8为三种构型压缩后得到的力位移曲线对比图。图中标号表示：1、第一夹层；2、第二夹层；3、多孔结构芯体；31、芯体胞元结构；311、外层；312、内层；313、连接板；314、上开口；315、下开口；316、侧开口；4、减重孔。具体实施方式以下结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作进一步描述。实施例一：如图2和图3所示，本实施例的芯体胞元结构，包括外层311和内层312，外层311和内层312均为三周期极小曲面(三周期极小曲面为向三维空间延伸的平均曲率为零的曲面，简称TPMS，其中三周期指的是向周边空间延伸的维度)，外层311与内层312之间形成空腔，空腔内设有连接外层311与内层312的连接板313(如肋板，起连接及支撑作用)；外层311和内层312上均设有向空腔外延伸的上开口314和下开口315，上开口314与下开口315相对设置，外层311和内层312的周侧设置有四个向空腔外延伸的侧开口316，四个侧开口316均匀分布在外层311和内层312的周侧。如图2和图3所示，两个侧开口316沿X轴方向布置，两个侧开口316沿Y轴方向布置，上开口314和下开口315沿Z轴方向布置，当然，在其它实施例中，在一个方向的一端(如上开口314处)设置多个并列的开口。另外，外层311和内层312均为三周期极小曲面中的P型薄片曲面，对应的隐函数为：Φp(r)＝-[cos(X)+cos(Y)+cos(Z)]＝C，其中X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，C＝0，其中x、y、z是P型薄片曲面各点在坐标系中的坐标，c为常量。其中P型薄片曲面是三周期极小曲面的一种，在三维空间的三个方向上均具备周期性并可无限扩展的极小曲面。采用上述符合隐函数表达式的xyz数值组合形成的P型薄片曲面，重量轻、且具有较高的强度和抗冲击等力学性能，另外此P型薄片曲面还具备光滑连续的孔隙结构(即空腔)，且该种孔隙结构易于控制，便于获取特定工况下的最佳孔隙度。本专利技术还公开了一种多孔结构芯体，包括多个如上所述的芯体胞元结构31，相邻芯体胞元结构31之间通过对应的开口对接，多个芯体胞元结构31中外层311和内层312均形成连续的曲面。即将芯体胞元结构31沿X、Y、Z三个方向无限复制即可得到层级多孔芯体结构。采用上述多孔结构芯体3、质量轻、比强度高、吸能效率高、保温性好、隔热性能好、隔音性能较好、综合性能较强；与传统蜂窝结构相比，在力学性能，机械强度，吸能效率，抗冲击性等各种性能上有明显提高，在工程应用领域中与传统蜂窝结构相比具有巨大的优势。如图4所示，本专利技术进一步公开了一种三明治吸能结构，包括第一夹层1、第二夹层2和如上所述的多孔结构芯体3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种芯体胞元结构，其特征在于，包括外层(311)和内层(312)，所述外层(311)和内层(312)均为三周期极小曲面，所述外层(311)与内层(312)之间形成空腔，所述空腔内设有连接外层(311)与内层(312)的连接板(313)；所述外层(311)和内层(312)上均设有向空腔外延伸的上开口(314)和下开口(315)，所述上开口(314)与下开口(315)相对设置，所述外层(311)和内层(312)的周侧设置有多个向空腔外延伸的侧开口(316)。/n

【技术特征摘要】
1.一种芯体胞元结构，其特征在于，包括外层(311)和内层(312)，所述外层(311)和内层(312)均为三周期极小曲面，所述外层(311)与内层(312)之间形成空腔，所述空腔内设有连接外层(311)与内层(312)的连接板(313)；所述外层(311)和内层(312)上均设有向空腔外延伸的上开口(314)和下开口(315)，所述上开口(314)与下开口(315)相对设置，所述外层(311)和内层(312)的周侧设置有多个向空腔外延伸的侧开口(316)。


2.根据权利要求1所述的芯体胞元结构，其特征在于，所述外层(311)和内层(312)均为三周期极小曲面中的P型薄片曲面，对应的隐函数为：
Φp(r)＝-[cos(X)+cos(Y)+cos(Z)]＝C，其中X＝2πx，Y＝2πy，Z＝2πz，C＝0，其中x、y、z是P型薄片曲面各点在坐标系中的坐标。


3.根据权利要求1或2所述的芯体胞元结构，其特征在于，所述内层(312)与外层(311)之间呈一定的缩放比例v。


4.根据权利要求1或2所述的芯体胞元结构，其特征在于，所述侧开口(316)的数量为四个，均匀分布在外层(...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹汉锋，杨越，郑贤君，文桂林，刘志鹏，谭丁文，马帅，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43