[发明专利]一种仿生梯度多级管状结构

说明书

本发明涉及吸能结构技术领域，尤其涉及一种仿生梯度多级管状结构。该仿生梯度多级管状结构以树枝结构为生物原型，设计得到具有梯度和多级结构的管状结构，使设计获得的仿生梯度多级管状结构具有更合理的材料分布，在冲击载荷作用下拥有更加稳定的变形模式，增强了结构的稳定性；并且能够有效地降低结构在受冲击载荷作用时产生的初始峰值力，提高吸能能力。在同等质量下，可以根据实际工程需要，通过改变结构层级和梯度参数对结构进一步的优化设计，使结构的材料分布更加合理，从而获得期望的吸能能力。

技术领域

本发明涉及吸能结构技术领域，尤其涉及一种仿生梯度多级管状结构。

背景技术

薄壁管状结构质量轻、形式简单、制造成本低，且具有较高的吸能效率，被广泛用于汽车、轨道交通等领域的抗冲击安全防护装置。然而，随着新能源汽车、高速列车的快速发展，人们对结构轻量化和冲击安全防护要求也越来越高，传统薄壁管状结构(如方管、圆管等)在不增加材料的情况下，无法兼顾实现提高结构吸能效率以及具有理想的峰值力，已逐渐难以满足发展需求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种仿生梯度多级管状结构，解决现有技术中存的问题。

(二)技术方案

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种仿生梯度多级管状结构，包括同心且同向间隔设置的至少三个正六边形管，由内至外依次为零级管至N级管，在零级管内设有六个零级板，六个零级板的一端在零级管的中心连接，另一端分别与零级管的六个角连接，零级板的厚度由零级管的中心至零级管的管壁方向平滑连续减小；

相邻的两个正六边形管之间形成一个容纳空间，由内至外依次为一级容纳空间至N级容纳空间，在一级容纳空间至N级容纳空间中，每级容纳空间内均设有多个分叉板，且由内至外，位于外侧容纳空间内的分叉板的数量是内侧相邻容纳空间内分叉板数量的两倍，在每级容纳空间内，两个分叉板为一组，每组中两个分叉板的一端与位于外侧的六边形管连接，另一端相交且与位于内侧的六边形管连接，其中，位于一级容纳空间内的每组分叉板的相交端与一个零级板相对应，使一组分叉板与一个相对应的零级板形成横截面为Y形的结构，位于一级容纳空间外侧的各级容纳空间内的每组分叉板的相交端，与位于内侧相邻容纳空间内的一个分叉板相对应，使位于外侧容纳空间内的一组分叉板，与位于内侧相邻容纳空间内的一个相对应分叉板形成横截面为Y形的结构；

分叉板的厚度由内侧端至外侧端平滑连续减小，其中，内侧端是与位于内侧的正六边形管连接的一端，外侧端是与位于外侧的正六边形管连接的一端。

在第二种实现方式中，仿生梯度多级管状结构包括三个正六边形管，由内至外依次为零级管、一级管和二级管，一级管和零级管之间的容纳空间为一级容纳空间，在一级容纳空间内设置的分叉板为一级分叉板，二级管和一级管之间的容纳空间为二级容纳空间，在二级容纳空间内设置的分叉板为二级分叉板。

在第二种实现方式的基础上：

优选地，一级分叉板的最大厚度等于零级板的最小厚度，二级分叉板的最大厚度等于一级分叉板的最小厚度。

优选地，零级管的壁厚等于零级板的最小厚度；

一级管的壁厚等于一级分叉板的最小厚度；

二级管的壁厚等于二级分叉板的最小厚度。

优选地，仿生梯度多级管状结构满足以下关系：

其中，λ₁为零级管与二级管的边长比，λ₂为一级管与二级管的边长比，α为每组一级分叉板的夹角，β为每组二级分叉板的夹角。