一种圆台形双稳态吸能结构胞元的制作方法

1.本实用新型属于吸能材料技术领域，具体涉及一种圆台形双稳态吸能结构胞元。


背景技术：

2.双稳态结构在变形过程中会发生屈曲跳跃，具有两个稳定平衡的位置或形态，可用于能量吸收。两种稳定形态在受力达到一定程度后能达到另外一个稳定形态，且无需外力维持。双稳态结构可以减少多余的约束装置，简化机械结构，可用于自锁结构、支撑结构、展开结构的设计等。当若干双稳态胞元组合成阵列结构时，可通过双稳态阵列结构大变形吸收冲击能量。若干双稳态胞元在受到冲击时，会部分或全部转化为另一种种稳定形态，从而起到缓冲和吸能的作用。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提出一种结构稳定性优异、制作方便的圆台形双稳态吸能结构胞元；该结构在受力达到一定程度后可变形成另一种稳定形态。
4.本实用新型提出的圆台形双稳态吸能结构胞元，由16根螺旋形梁组成，每根横截面为形状为圆形；其中，8根螺旋形梁按顺时针方向均匀排布，围成一空间圆形锥台，另8根螺旋形梁按逆时针方向均匀排布，围成一空间圆形锥台，并与顺时针均匀排布的8根螺旋形梁交叉；这些梁上端部固接于一块圆形板，下端部固接于另一块圆形板，形成空间网格式“圆台形状”；其中，螺旋形梁的螺旋线圈数0.5
±
0.2圈，圆形锥台的锥度为15
±
2度。
5.该胞元在不受压力时，处于第一的稳态；当胞元的上板受压时，上板向下移动，梁结构逐渐内凹，到达第二个稳态；此时将胞元的上板上拉，则可以回到第一个稳态。
6.本发明设计的圆台形双稳态吸能结构胞元，可以按使用需要进行组合堆叠，得到阵列结构。
7.制备方式可以由材料不同选用，通常采用3d打印增材制造方式，亦可采用传统焊接、切削方式制造。
8.制备材料要求有较好的弹性和韧性，比如tpu。
9.以熔融挤出3d打印这种增材制造手段为例：先用建模软件依照图纸建立三维模型，将所建立模型用切片软件切片后导入3d打印机打印。打印材料选用tpu95a，支撑材料选用pva。打印好后，将零件浸入温水中若干小时，使水溶性支撑溶于水后晾干即可。
10.本实用新型设计的圆台形双稳态吸能结构胞元，具有如下优势：
11.1、结构受轴向拉压后可产生稳定的形态转换，应用于机械设备中可实现较好的吸能设计；
12.2、结构拉压性能可通过改变梁直径、数量、形状进行调整改变，可满足多种不同场合的性能需求；
13.3、结构用途广泛，可广泛应用于各类机械设备，实现诸如自锁、支撑、展开等功能。
附图说明
14.图1为圆台形胞元的三视图。
15.图2为圆台形胞元的左右二等角轴测图。
16.图3为实施例1中 1
×1×
3堆叠三视图。
17.图4为实施例1中 1
×1×
3堆叠左右二等角轴测图。
18.图5为实施例2中5
×5×
3堆叠三视图。
19.图6为实施例2中5
×5×
3堆叠左右二等角轴测图。
20.图7为圆台形胞元受压初始图。
21.图8为圆台形胞元受压变形图。
22.图9为圆台形双稳态结构受压 力
‑
应变图。
23.图10为实施例1中1
×1×
3堆叠受压初始图。
24.图11为实施例1中1
×1×
3堆叠受压变形图。
25.图12为实施例2中5
×5×
3堆叠受压初始图。
26.图13为实施例2中5
×5×
3堆叠受压变形图。
具体实施方式
27.实施例1：
28.使用3d打印机打印，所用材料为tpu95a，所用水溶性支撑材料为pva。
29.实施例1，由3个胞元堆叠成的阵列结构，为1
×1×
3堆叠排布，三视图如图3、图4所示。
30.实施例1中，圆台形双稳态结构（胞元）由16根螺旋锥形梁组成，其截面形状为圆形，直径为1mm，螺旋线形状为：圈数0.4圈、锥度16.7度。其中8根梁为顺时针、8根为逆时针，均匀排布成“圆台形”，这些梁上下接于两块共同的板，板厚为2mm。螺旋线上端围成的圆的直径17mm，螺旋线下端围成的圆的直径为47mm。
31.待打印完成后，将打印件置于水中浸泡，待清水变浑浊更换清水直至pva支撑完全消失，晾干。
32.如图7、图8所示，圆台形双稳态结构在受压后变为第二种形态。由图9力
‑
应变图可发现：随着下压距离的增大，所需压力先增加后减小，说明第二个形态是稳定状态。如图10、图11所示，1
×1×
3堆叠在受压后变为第二种形态，起到吸能的作用。
33.实施例2：
34.实施例2，由75个胞元堆叠成的阵列结构，为5
×5×
3堆叠排布，三视图如图5、图6所示，其加工方式与实施例1加工方式相同。如图12、图13所示，5
×5×
3堆叠在受压后变为第二种形态，起到吸能的作用。


技术特征：
1.一种圆台形双稳态吸能结构胞元，其特征在于由16根螺旋形梁组成，每根横截面为形状为圆形；其中，8根螺旋形梁按顺时针方向均匀排布，围成一空间圆形锥台，另8根螺旋形梁按逆时针方向均匀排布，围成一空间圆形锥台，并与顺时针均匀排布的8根螺旋形梁交叉；这些梁上端部固接于一块圆形板，下端部固接于另一块圆形板，形成空间网格式“圆台形状”；其中，螺旋形梁的螺旋线圈数0.5
±
0.2圈，圆形锥台的锥度为15
±
2度。2.根据权利要求1所述的圆台形双稳态吸能结构胞元，其特征在于，所述胞元在不受压力时，处于第一的稳态；当胞元的上板受压时，上板向下移动，梁结构逐渐内凹，到达第二个稳态；此时将胞元的上板上拉，则回到第一个稳态。

技术总结
本实用新型属于吸能材料技术领域，具体为一种圆台形双稳态吸能结构胞元。本实用新型吸能结构胞元由16根螺旋形梁组成；其中8根螺旋形梁按顺时针方向均匀排布，另8根螺旋形梁按逆时针方向均匀排布，并与顺时针均匀排布的8根螺旋形梁交叉，围成一空间圆形锥台；梁上、下两端分别由两块块圆形板固接，形成空间网格式“圆台形状”；当胞元的上板受压时向下移动，梁结构逐渐内凹到达第二个稳态；将胞元的上板上拉则回到第一个稳态。可采用3D打印、采用焊接或切削方式制备。本实用新型吸能结构胞元拉压性能可通过改变梁直径、形状进行调整改变，以满足多种不同场合的性能需求，可广泛应用于各类机械设备，实现诸如自锁、支撑、展开等功能。展开等功能。展开等功能。


技术研发人员：徐凡 张晓亮 杨易凡
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2021.02.26
技术公布日：2021/11/22