[发明专利]一种多级蜂窝结构及设计方法

说明书

本发明涉及蜂窝结构技术领域，尤其涉及一种多级蜂窝结构及设计方法。多级蜂窝结构的胞壁包括多个相连接的一级蜂窝胞元替换蜂窝胞元的胞壁，一级实节点由二级蜂窝胞元替代，整体结构满足各多级结构参数的限定，相比传统蜂窝结构，在相同工况且相同质量和体积时具有更高的能量吸收性能。该设计方法通过多个相连接的一级蜂窝胞元替换蜂窝胞元的胞壁，通过二级蜂窝胞元替代一级实节点，且通过引入的各种多级结构参数，能够方便的调整多级蜂窝结构的几何构型，实现蜂窝结构的能量吸收性能的大范围调控，以满足工程需要。设计得到多级蜂窝结构相比传统蜂窝结构，在相同工况且相同质量和体积时具有更高的比吸能。

技术领域

本发明涉及蜂窝结构技术领域，尤其涉及一种多级蜂窝结构及设计方法。

背景技术

随着航空航天飞行器、高速列车、汽车等向着轻量化、低能耗、高速、高可靠性方向发展，相关领域迫切需求具有轻质、高效抗冲击吸能特性的高性能轻量化材料，作为一种典型的轻质多孔材料。蜂窝材料具有高比刚度、高比强度、高能量吸收等优良特性，在冲击安全防护领域得到了广泛的应用。在工程应用中，用于使防护对象免受冲击损伤的能量吸收装置的质量或体积通常会受实际情况的限制。因此，为了确保防护对象的安全，通常要求在给定冲击条件下尽可能提高蜂窝材料的能量吸收能力；同时，也要求能方便地根据不同需求调控蜂窝材料的能量吸收性能。

传统蜂窝材料(蜂窝胞元的横截面为四边形、六边形等)在诸多工程领域得到了广泛的应用，但随着现代科技的迅猛发展，航空航天、轨道交通、汽车等领域对高性能轻量化材料的需求不断提升，而传统蜂窝材料逐渐难以满足使用需求。因此，需要提出新的设计方法构造获得具有更优性能的新型蜂窝材料，以满足工程领域对高性能轻量化材料的迫切需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的第一个目的是提供一种多级蜂窝结构，具有较高的能量吸收性能。

本发明的第二个目的是提供一种多级蜂窝结构的设计方法，能够获得能量吸收性能更高的蜂窝结构，且能够根据需要方便的对蜂窝结构进行调整，实现蜂窝结构的能量吸收性能的大范围调控。

(二)技术方案

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种多级蜂窝结构，包括多个蜂窝胞元，蜂窝胞元的横截面为正六边形，蜂窝胞元的胞壁包括多个相连接的一级蜂窝胞元，一级蜂窝胞元为正多边形，一级蜂窝胞元的胞壁相交处为一级实节点，每个一级蜂窝胞元具有3N个一级实节点，一级实节点由二级蜂窝胞元替代，二级蜂窝胞元为正多边形或圆形，当二级蜂窝胞元为正多边形时，二级蜂窝胞元的胞壁相交处为二级实节点，每个二级蜂窝胞元具有3M个二级实节点；

在蜂窝胞元的胞壁长度方向上包括n个二级蜂窝胞元，在蜂窝胞元的胞壁厚度方向上包括m个二级蜂窝胞元；

其中：N和M均为正整数，n≥3，m≥2，且n和m均为整数；

二级蜂窝胞元在其所处一级蜂窝胞元的胞壁长度方向上的尺寸与位于一级蜂窝胞元的胞壁两端的两个二级蜂窝胞元的中心距离之比为γ，且满足以下关系：0γ1。

优选地，一级蜂窝胞元的横截面为正三边形，二级蜂窝胞元的横截面为正六边形、正三边形或圆形。

优选地，一级蜂窝胞元的横截面为正六边形，二级蜂窝胞元的横截面为正六边形、正三边形或圆形。

本发明提供了另一种多级蜂窝结构，包括多个蜂窝胞元，蜂窝胞元的横截面为正四边形，蜂窝胞元的胞壁包括多个相连接的一级蜂窝胞元，一级蜂窝胞元为正多边形，一级蜂窝胞元的胞壁相交处为一级实节点，每个一级蜂窝胞元具有4N个一级实节点，一级实节点由二级蜂窝胞元替代，二级蜂窝胞元为正多边形或圆形，当二级蜂窝胞元为正多边形时，二级蜂窝胞元的胞壁相交处为二级实节点，每个二级蜂窝胞元具有4M个二级实节点；