本发明涉及轻质功能结构技术领域，特别是一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构。
背景技术：
为了进一步提高航空航天、汽车等工业的节能指标，对研发满足特定力学性能的轻量化部件提出了新的要求。如飞行器蒙皮或者车身会承受气流、振动及碰撞不同环境的压力，研发缓冲吸能轻质结构的设计成为该类部件的重要研究目标。近年来，学者验证了仿生夹芯轻质结构可满足该力学性能及轻量化要求，可用于该类部件上。
在夹芯结构研究方面，仿蜂窝六边形结构具有很好的吸能特征，并在工程部件中获得了广泛的应用。学者也对甲虫鞘翅结构进行研究，设计了较好的吸能缓冲轻质结构。此外，学者通过拓扑优化节省了材料并保证了力学性能。当前，由于对各类部件吸能缓冲及轻量化需求的提高，期望设计出更多满足工程需求的仿生夹芯结构。
自然界除了蜂窝和鞘翅轻质结构，其它许多生物组织具有轻质和特定的力学性能。如牙釉质微观结构是较高硬度的圆柱体分布在低硬度的粘稠性蛋白基质里。其中圆柱起到承载作用，而蛋白质基体与圆柱的黏附，在受到压缩时可有效吸收能量。此外，自然界的螺旋曲面叶片(如植物叶片)能够在受压时产生大变形且不发生破坏，说明该曲面叶片可以有效传递应力。因此，牙釉质结构特征及螺旋曲面叶片为新型缓冲吸能结构的设计提供重要参考。
技术实现要素：
本发明从不同生物组织的机械单元结构中得到启发，公开了一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构。该仿生轻质夹芯结构综合了牙釉质柱体和植物螺旋叶片(gyroid极小曲面)的力学特征，具备吸能缓冲轻质特征。
具体的技术方案如下：
一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，包括上面板、下面板以及设置于上面板、下面板之间的夹芯柱片结构，其特征在于，所述夹芯柱片结构由多个柱体和曲面叶片构成，相邻柱体之间等间隔平行分布，曲面叶片相连且围绕柱体。
所述柱体为仿牙釉质结构的柱形结构，所述曲面叶片呈植物叶片状，由连续的极小曲面构成。
上述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，所述曲面叶片沿螺旋上升方向围绕柱体。
上述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，所述柱体为空芯柱体。
上述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，呈空芯柱体的所述柱体内部均匀填充有聚丙烯酰胺聚合物。
上述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，所述极小曲面在三维方向有序延伸并扩展，其曲面方程为a＝cosx·sinx cosy·sinz cosz·sinx。
本发明的有益效果为：
本发明公开的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，可用于航空航天飞行器蒙皮、汽车车身等易受冲压轻质部件，包括上面板、下面板和夹芯柱片结构，夹芯柱片结构由多个柱体和曲面叶片构成，曲面叶片呈植物叶片状，由连续的极小曲面构成，本发明具有多个方向上的缓冲、吸能、轻质特点，当面板受到垂直冲压时，柱体受压变形，同时曲面叶片产生较大的变形，利于应力传递，实现结构的缓冲吸能。由于曲面螺旋延伸特征，在发生形变过程中与柱面接触，在一定程度上阻止了柱面受压发生弯曲褶皱。与同质量的六边形蜂窝结构对比，在上、下板面受压时上述仿生结构抵御变形破坏的能力提高约1.5倍，当任意侧面受压时，与蜂窝结构相比抵御变形破坏的能力提高约35％。
附图说明
图1为本发明示意图。
图2为柱体示意图。
图3为曲面叶片示意图。
图4为本发明中间位置横截面图。
图5为蜂窝结构示意图。
图6为本发明压缩试验图。
图7为本发明剪切试验示意图。
图8为本发明与蜂窝结构受压时等效应力变化曲线。
图9为本发明两侧面分别受剪切时等效应力变化曲线。
图10为蜂窝结构两侧面分别受剪切时等效应力变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合实施例对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。
实施例一
本实施例的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，包括上面板1、下面板2以及设置于上面板1、下面板2之间的夹芯柱片结构，其特征在于，所述夹芯柱片结构由多个柱体3和曲面叶片4构成，相邻柱体3之间等间隔平行分布，曲面叶片4相连且围绕柱体，柱体内有填充聚合物5。
所述柱体3为仿牙釉质结构的柱形结构，所述曲面叶片4呈植物叶片状，由连续的极小曲面构成；且，柱体的外表面与曲面叶片毗邻；
本实施例的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，可用于航空航天飞行器蒙皮、汽车车身等易受冲压轻质部件，当上面板、下面板受到冲压时，叶片均匀发生大变形，实现应力传递，从而减少柱体承受的集中力；
如图1所示，当夹芯柱片结构竖直延伸时，柱体在同一竖直方向上延伸(z轴方向，如图2所示)，曲面叶片为连续的(如图3所示)；水平方向上(x轴和y轴方向)，相邻的柱体之间平行分布，且叶片体为连续的，且与柱体毗邻(如图4所示)。
实施例二
本实施例的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，所述柱体3为空芯柱体，且柱体内部均匀填充有聚丙烯酰胺(pam)聚合物5；该聚合物基于黏弹特性吸收机械能，使柱体受压时，获得更好的吸能效果。
实施例三
本实施例的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其中，所述极小曲面在三维方向有序延伸并扩展，其曲面方程为a＝cosx·sinx cosy·sinz cosz·sinx；
基于上述实施例，以铝合金为材质，进行仿生轻质夹芯建模，该仿生轻质夹芯具备上面板、下面板和夹芯柱片结构，且夹芯柱片结构具备多个柱体和完整周期的曲面叶片；
设定柱体内半径为9.5mm，柱体和曲面叶片厚度为0.6mm，叶片体基于下述模型公式a＝cosx·sinx cosy·sinz cosz·sinx，进行建立，x,y,z方向长度均为3π(以图1坐标系为参照)，其体积为1.1×105mm3，相应质量为357mg；
对该仿生轻质夹芯模型进行压缩和剪切试验，并在相同质量下构建蜂窝结构(如图7所示)进行了对比；
压缩试验流程：将仿生轻质夹芯的下端面固定，设定加载速度为10m/s，进行竖直方向上的力学试验，如图6所示；当仿生轻质夹芯竖直高度压缩至72mm(60％总高度)时停止加载，从而得到如图8所示的应力-位移曲线，初始阶段应力增加较快，此时为圆柱与曲面叶片发生初始的弹性变形；当加载到约20mm时，该仿生轻质夹芯等效应力增长减慢，这是因为柱体和曲面叶片均已经发生较大变形；此后继续加载时，柱体在一定变形后中部发生褶皱，同时曲面叶片发生大变形，分散结构受到的压力。
同样加载条件下，对蜂窝结构进行压缩试验，当蜂窝结构在水平方向压缩至72mm(60％总高度)时停止加载；结果显示蜂窝结构在受压过程中发生严重褶皱，蜂窝结构最大等效应力比仿生结构大1.5倍(如图8所示)，这说明在同样条件下蜂窝结构将过早发生材料破坏失效；由此得出，本实施例的仿生轻质夹芯比蜂窝结构夹芯有更好的缓冲吸能效果和更好的承载能力。
剪切试验流程：将仿生轻质夹芯的下端面固定，并在其中一侧面的下半部分施加固定挡板，设定加载速度为10m/s，进行水平方向上的力学试验，如图7所示；当仿生轻质夹芯水平方向压缩至72mm(60％总宽度)时停止加载。据此在仿生轻质夹芯的一侧加载进行剪切试验，得到如图9所示的应力-位移曲线。从图中可见在加载过程中，曲面叶片先与剪切板接触发生均匀变形，之后柱体受压发生弯曲。
同样加载条件下，对蜂窝结构进行剪切试验。结果显示在蜂窝结构在受剪过程中两侧均发生大的屈曲变形，等效应力比仿生轻质夹芯结构大35％(如图10所示)，这说明在受剪切条件下蜂窝结构将过早发生材料破坏失效。由此得出，本实施例的仿生轻质夹芯比蜂窝结构夹芯有更好的缓冲吸能效果；
同时，柱体和叶片体的厚度以及柱体直径可调，增大柱体的厚度或叶片体的厚度，仿生轻质夹芯的吸能及承载特性将增强，而且本发明所提出的柱体和曲面叶片的材质可以相同，或，柱体和曲面叶片采用不同材质。
综上所述，本发明具备以下优点：
(1)结合两种生物结构特征提出一种仿生夹芯结构，在受压或受剪切时具有缓冲、吸能的特点；
(2)采用本仿生轻质夹芯的航空航天飞行器蒙皮及车身，能够有效抵抗不稳定气流冲击及振动；
(3)对柱体和叶片体的参数调整，可适应不同受力环境下承载或者吸能的要求；
(4)本发明可根据需求选取柱体、曲面及柱体内填充物材料，并可以通过工业3d打印技术一次性完成，或者单独打印柱体和曲面后粘合面板完成整体。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
1.一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，包括上面板、下面板以及设置于上面板、下面板之间的夹芯柱片结构，其特征在于，所述夹芯柱片结构由多个柱体和曲面叶片构成，相邻柱体之间等间隔平行分布，曲面叶片相连且围绕柱体；
所述柱体为仿牙釉质结构的柱形结构，所述曲面叶片呈植物叶片状，由连续的极小曲面构成。
2.如权利要求2所述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其特征在于，所述曲面叶片沿螺旋上升方向围绕柱体。
3.如权利要求2所述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其特征在于，所述柱体为空芯柱体。
4.如权利要求3所述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其特征在于，呈空芯柱体的所述柱体内部均匀填充有聚丙烯酰胺聚合物。
5.如权利要求4所述的一种缓冲吸能仿生轻质夹芯结构，其特征在于，所述极小曲面在三维方向有序延伸并扩展，其曲面方程为a＝cosx·sinx cosy·sinz cosz·sinx。
技术总结