CN104441802A - 夹芯吸能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种夹芯吸能装置，包括上面板、下面板、侧板以及芯板层，所述芯板层填充在所述上面板、下面板、侧板围设形成的密闭空间内，其特征在于，所述芯板层包括脆性爆破层和嵌设在所述脆性爆破层内的芯材；所述芯材与所述脆性爆破层之间填充有剪切增稠流体材料。当吸能装置经受子弹侵撤时，面板及侧板首先吸能，之后子弹侵彻脆性爆破层，导致脆性爆破层碎裂，进一步吸收子弹能量；同时脆性爆破层变形过程中导致剪切增稠流体材料快速流动，通过粘性耗散能量；提高夹芯吸能装置的抗振和抗冲击能力。
Description
技术领域
本发明涉及吸能技术，特别是一种夹芯吸能装置。
背景技术
空间点阵夹芯吸能结构是一种通过塑性大变形来耗散冲击载荷能量的有效吸能结构。夹芯结构一般为多孔金属结构。与传统单层板相比，面板夹芯结构具有较高比强度、比刚度，同时具有减震、隔温、吸声等功能。在满足力学性能要求的情况下减轻了结构重量，降低了成本。面板夹芯结构通常用于轻质化结构的优化设计，在工程中有着大量应用。
传统的点阵夹芯板一般通过结构件的塑性大变形吸能。目前比较普遍的夹芯结构有：蜂窝型、波浪型、金字塔型等。优化点阵夹芯板的方法一般分为两类：一类是通过改变夹芯空间结构达到优化目的；另一类是通过改变芯材的材质来优化吸能效果，比如芯材为泡沫、实心陶瓷等材料来提高吸能性能，可提高原有结构的吸能效果。
传统点阵夹芯板以及泡沫夹芯板主要通过面板与夹芯材料塑性变形的方式吸收能量，夹芯板具有一定的强度和刚度，但是整体吸能效果不理想。而夹芯材料为实心时，吸能效果明显提高，但是结构的抗振性能较差。因此，现有的夹芯板结构不能同时满足结构的强度、刚度、抗振、抗冲击吸能性能。
发明内容
本发明提供一种夹芯吸能装置，用于克服现有技术中的缺陷，在保持传统夹芯板原有的优良性能基础之上，提高夹芯吸能装置的抗振和抗冲击能力。
本发明提供一种夹芯吸能装置，包括上面板、下面板、侧板以及芯板层，所述芯板层填充在所述上面板、下面板、侧板围设形成的密闭空间内，其特征在于，所述芯板层包括脆性爆破层和嵌设在所述脆性爆破层内的芯材；所述芯材与所述脆性爆破层之间填充有剪切增稠流体材料。
作为优选方案：
所述芯材包括多根芯材棒，且所述芯材棒布置呈空间点阵状。
作为上述优选方案的实施例一：
所述芯材由多个第一节点单元彼此连接呈网状；每个所述第一节点单元包括三根以上呈空间形状布置的芯材棒，所述芯材棒的一端均连接在同一个节点上，所述芯材棒的另一端分别连接在与该节点相邻且方向相对的不同节点上；位于上方的所述节点与所述上面板连接，位于下方的所述节点与所述下面板连接。
作为上述优选方案的实施例二：
所述芯材包括多个彼此分离的第二节点单元，所述第二节点单元包括三根以上呈空间形状布置的芯材棒，所述芯材棒彼此交叉于同一个节点，所述节点均位于所述芯材棒的中部，所述芯材棒的一端均与所述上面板连接，所述芯材棒的另一端均与所述下面板连接。
上述实施例中：
所述脆性爆破层材质为陶瓷。
进一步地，所述剪切增稠流体材料为STF。
特别是，所述上面板、下面板的材质为金属、陶瓷或塑料，所述侧板的材质为金属。
本发明提供的夹芯吸能装置，当吸能装置经受物体冲击时，上面板、下面板、芯材结构变形，同时芯材变形导致剪切增稠流体材料粘性急剧上升，通过粘性耗散能量，同时使得结构具有良好的抗振性能；另外脆性爆破层也吸收一部分弹性变性能，进一步增加吸能能力；当吸能装置经受子弹侵撤时，面板及侧板首先吸能，之后子弹侵彻脆性爆破层，导致脆性爆破层碎裂，进一步吸收子弹能量；同时脆性爆破层变形过程中导致剪切增稠流体材料快速流动，通过粘性耗散能量；提高夹芯吸能装置的抗振和抗冲击能力；通过前期的初步实验结果，该结构相比于未填充的夹芯结构，冲击吸能能力提高50％以上，抗侵彻能力提高70％以上，抗振能力提高50％以上。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的夹芯吸能装置的截面图；
图2为本发明实施例二提供的夹芯吸能装置中芯材的结构示意图；
图3为本发明实施例三提供的夹芯吸能装置中芯材的结构示意图；
图4为本发明实施例四提供的夹芯吸能装置中芯材的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供一种夹芯吸能装置，该装置包括封装面板1以及封存在封装面板1内部密闭空间内的芯板层2，芯板层2由芯材21和填充于芯材21与封装面板1内部的密闭空间之间的脆性材料形成；其中，封装面板1包括上面板11、下面板12、侧板13，芯板层2填充在上面板11、下面板12、侧板13围设形成的密闭空间内，芯板层2包括脆性爆破层23和嵌设在脆性爆破层23内的芯材21；芯材21与脆性爆破层23之间填充有剪切增稠流体材料22。
脆性爆破层23可采用陶瓷或玻璃等脆性易碎材料，脆性爆破层23可采用多块成型单元块23a组合形成，首先将多个成型单元块23a通过高强胶粘接固定在上面板11上形成上半部分10，将多个成型单元块23a高强胶粘接固定在下面板12上形成下半部分20，再将上半部分10与下半部分20组合，使得成型单元块23a与成型单元块23a之间形成间隙通道，芯材21置于该通道中，制作步骤上可在上半部分10与下半部分20组合之前将芯材放置于下半部分20上，上半部分10、芯材21及下半部分20组合后，向芯材21与间隙通道之间填充剪切增稠流体材料22，最后通过侧板13密封。
本实发明中的芯材21主要为芯板层2形成一个支撑骨架，可以是一个整体的框架式结构、参见图1-3；也可以是由多个彼此独立、分散的结构单元排列形成，参见图4。图1中的芯材21为金字塔形的超轻多孔金属芯层，芯材21与密闭空间的缝隙间填充剪切增稠流体材料22，上面板11及下面板12均为金属板，四周的侧板13采用金属薄板进行密封。
本发明提供的夹芯吸能装置，当吸能装置经受物体冲击时，上面板11、下面板12、芯材21结构变形，同时芯材21变形导致剪切增稠流体材料22粘性急剧上升，通过粘性耗散能量，同时使得结构具有良好的抗振性能；另外脆性爆破层23也吸收一部分弹性变性能，进一步增加吸能能力；当吸能装置经受子弹侵撤时，上面板11、下面板12及侧板13首先吸能，之后子弹侵彻脆性爆破层23，导致脆性爆破层23碎裂，进一步吸收子弹能量；同时脆性爆破层23变形过程中导致剪切增稠流体材料22快速流动，通过粘性耗散能量；通过前期的初步实验结果，该结构相比于未填充的夹芯结构，冲击吸能能力提高50％以上，抗侵彻能力提高70％以上，抗振能力提高50％以上。
作为优选方案：
参见图2-4，芯材21包括多根芯材棒，且芯材棒布置呈空间点阵状。
实施例二
参见图2，芯材21具体由多个第一节点单元210彼此连接呈网状；每个第一节点单元210包括三根以上(本实施例中为三根，参见图2)呈空间形状布置的芯材棒21a，芯材棒21a的一端均连接在同一个节点(第一节点A)上，芯材棒21a的另一端分别连接在与该节点(第一节点A)相邻且方向相对的不同节点(第二节点B)上；位于上方的节点(参见图2中的第一节点A)与上面板11连接，位于下方的节点(参见图2中的第二节点B)与下面板12连接。制作时，成型单元块呈三棱锥状。
实施例三
参见图3，本实施例与实施例二的区别仅在于每个第一节点单元210包括四根呈空间形状布置的芯材棒21a。制作时，成型单元块呈四棱锥状。
实施例四
参见图4，芯材21包括多个彼此分离的第二节点单元220，第二节点单元220包括三根以上(图4中为三根)呈空间形状布置的芯材棒22a，芯材棒22a彼此交叉于同一个节点(参见图4中的第三节点C)，第三节点C均位于芯材棒22a的中部，芯材棒22a的一端均与上面板11连接，芯材棒22a的另一端均与下面板12连接。制作时，成型单元块呈三棱锥状或是与其它形状的组合。
上述实施例中：
脆性爆破层材质为陶瓷。
进一步地，剪切增稠流体材料为STF(shear thickening fluid的简称)上面板11、下面板12的材质为金属、陶瓷或塑料，侧板13的材质为金属。
相比传统点阵材料的塑性变形吸能方式，本发明通过面板及夹芯材料变形、STF粘性耗散、陶瓷吸能的组合吸能方法，吸能效果更好。另外，STF填充的点阵吸能结构，以及陶瓷+STF填充的点阵吸能结构保持了点阵材料高比强度、比刚度的性能，同时提升了结构减振、隔温、吸声等优良性能，同时对于陶瓷+STF填充的点阵吸能结构大幅提升了结构的抗侵彻性能。
Claims (7)
1.一种夹芯吸能装置，包括上面板、下面板、侧板以及芯板层，所述芯板层填充在所述上面板、下面板、侧板围设形成的密闭空间内，其特征在于，所述芯板层包括脆性爆破层和嵌设在所述脆性爆破层内的芯材；所述芯材与所述脆性爆破层之间填充有剪切增稠流体材料。
2.根据权利1所述的夹芯吸能装置，其特征在于，所述芯材包括多根芯材棒，且所述芯材棒布置呈空间点阵状。
3.根据权利2所述的夹芯吸能装置，其特征在于，所述芯材由多个第一节点单元彼此连接呈网状；每个所述第一节点单元包括三根以上呈空间形状布置的芯材棒，所述芯材棒的一端均连接在同一个节点上，所述芯材棒的另一端分别连接在与该节点相邻且方向相对的不同节点上；位于上方的所述节点与所述上面板连接，位于下方的所述节点与所述下面板连接。
4.根据权利要求2所述的夹芯吸能装置，其特征在于，所述芯材包括多个彼此分离的第二节点单元，所述第二节点单元包括三根以上呈空间形状布置的芯材棒，所述芯材棒彼此交叉于同一个节点，所述节点均位于所述芯材棒的中部，所述芯材棒的一端均与所述上面板连接，所述芯材棒的另一端均与所述下面板连接。
5.根据权利要求1-4任一所述的夹芯吸能装置，其特征在于，所述脆性爆破层材质为陶瓷。
6.根据权利要求5所述的夹芯吸能装置，其特征在于，所述剪切增稠流体材料为STF。
7.根据权利要求6所述的夹芯吸能装置，其特征在于，所述上面板、下面板的材质为金属、陶瓷或塑料，所述侧板的材质为金属。
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