一种具有四应力平台的多级变形缓冲垫

1.本实用新型涉及一种缓冲垫，具体地说是一种具有四应力平台的多级变形缓冲垫。


背景技术：

2.为了实现更好的吸能或缓冲作用，人们开发出了一种力学超材料用以制作吸能器或缓冲垫。而现有的力学超材料只具有单一变形的模式，从而限制了其在多任务复杂环境下的应用。多稳定性主要用于变形结构和刚度可调的吸能器的设计上，由于力学超材料复杂的内部结构，因此，现有由力学超材料制备的缓冲垫还存在有制备工艺复杂和稳定性不高的问题。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的就是提供一种具有四应力平台的多级变形缓冲垫，以解决现有使用力学超材料制备的缓冲垫存在的制备工艺复杂和稳定性不高的问题，以满足实际使用的需要。
4.本实用新型是这样实现的：
5.一种具有四应力平台的多级变形缓冲垫，缓冲垫本体包含若干横向排列依次相接的力学超材料基本单元，所述力学超材料基本单元包括：四角分布于
±
45
°
线上的四角星架、位于四角星架上部的上菱形架、位于四角星架下部的下菱形架、连接在上菱形架的下顶角与四角星架上部两角之间的上支梁、连接在下菱形架的上顶角与四角星架下部两角之间的下支梁、连接在上菱形架的上顶角上的t型架以及连接在下菱形架的下顶角上的倒t型架。
6.进一步地，所述力学超材料基本单元是关于中心线的上下对称结构。
7.进一步地，上菱形架各棱边的厚度等同，下菱形架各棱边的厚度相同，且上菱形架的棱边厚度与下菱形架的棱边厚度相同；上支梁的厚度与下支梁的厚度相同，四角星架中各星角边的厚度相同；将各菱形架的棱边厚度记为l1，各支梁的厚度记为l2，四角星架各星角边的厚度记为l3，则各部分的厚度条件满足：l2《l1《l3。
8.进一步地，上支梁与四角星架上部两角的内边架组成一个与上菱形架大小相同、形状相同的菱形；下支梁与四角星架下部两角的内边架组成与下菱形架大小相同、形状相同的菱形。
9.进一步地，各菱形的两侧顶角为60
°
。
10.本实用新型是由对称排列结构的力学超材料制成，在受单轴压缩载荷的情况下，表现出连续的弹性屈曲变形，其应力——应变曲线具有四个应力平台，对应于四个不同的稳定结构，实现了超材料结构的四级变形，而且，其力学超材料的基本单元只有二维的结构设计，因此使得结构简化，生产制备工艺得以简化，
11.本实用新型具有而多级变形力学超材料具有至少两种以上不同的稳定结构，因此
可以实现在不同稳定结构之间的顺利切换，实现显著的几何变化，由此提高了力学超材料以及由此所制备的缓冲垫的使用稳定性。
附图说明
12.图1是本实用新型的整体及力学超材料基本单元的结构示意图。
13.图中，1、四角星架，2、上菱形架，3、下菱形架，4、上支梁，5、下支梁，6、t型架，7、倒t型架。
14.图2是对本实用新型进行单轴压缩实验的应力——应变曲线图。
具体实施方式
15.下面结合实施例对本实用新型做进一步的阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本实用新型的保护范围。
16.如图1所示，本实用新型包括缓冲垫本体，缓冲垫本体包含若干力学超材料基本单元，力学超材料基本单元横向排列，依次相接，组成缓冲垫的垫体。
17.其中的力学超材料基本单元包括四角星架1、上菱形架2、下菱形架3、上支梁4、下支梁5、t型架6和倒t型架7等部分。其中，四角星架1为正四角星型，其四角分布于
±
45
°
的斜线上。上菱形架2位于四角星架1的上部，在上菱形架2的下顶角与四角星架1的上部两角之间接有上支梁4。下菱形架3位于四角星架的下部，在下菱形架3的上顶角与四角星架1的下部两角之间接有下支梁5。上菱形架2与下菱形架3的大小相同、形状相同。t型架6设置在上菱形架2的上顶角的上方，倒t型架7连接在下菱形架3的下顶角的下方。该力学超材料基本单元是关于中心线的上下对称结构。
18.上菱形架2中各棱边的厚度等同，下菱形架3中各棱边的厚度相同，并且上菱形架2的棱边厚度与下菱形架3的棱边厚度相同。上支梁4的厚度与下支梁5的厚度相同，四角星架1中各星角边的厚度相同。将各菱形架的棱边厚度记为l1，各支梁的厚度记为l2，四角星架各星角边的厚度记为l3，则各部分的厚度条件满足：l2《l1《l3。
19.上支梁4与四角星架1上部两角的内边架组成一个与上菱形架2大小相同、形状相同的菱形；下支梁3与四角星架1下部两角的内边架组成与下菱形架大小相同、形状相同的菱形。并且，力学超材料基本单元中各菱形以及拼合成的菱形的两侧顶角均为60
°
。
20.对于具有四个力学超材料基本单元所组成的缓冲垫，可形成具有四应力平台的多级变形力学超材料的缓冲垫。该缓冲垫在受单轴压缩载荷的情况下，发生弹性屈曲变形。通过调整几何参数，可以设计力学超材料基本单元的变形。在对该缓冲垫进出单轴压缩实验的过程中，将缓冲垫的下端固定，上端利用万能试验机施加压缩载荷，进行准静态压缩实验，并使用高清摄像机记录力学超材料基本单元的变形过程及其变化过程。其中，第i级的载荷水平为0.01mpa，显示力学超材料基本单元的各部分变形很小；第ii级的载荷水平为0.26mpa，显示力学超材料基本单元中的上、下支梁被压缩变形；第iii级的载荷水平为0.8mpa，显示力学超材料基本单元中的上、下支梁和上、下菱形架被压缩变形；第iv级的载荷水平为2.4mpa，显示力学超材料基本单元中除上、下支梁和上、下菱形架被压缩变形外，四角星架和t型架、倒t型架也有部分压缩变形，由此得到了图2所示的对应的单轴压缩实验的应力——应变曲线。在图2中，该应力应变曲线显示出明显的四应力平台，使本实用新型
具有了四种不同的稳定状态。通过调整几何参数，便可以实现对力学超材料基本单元的多级变形行为的调控。
21.本实用新型不仅设计了具有四应力平台的多级变形力学超材料基本单元，还从实验和有限元模拟两个方面验证了该设计的可靠性。


技术特征：
1.一种具有四应力平台的多级变形缓冲垫，其特征在于，缓冲垫本体包含若干横向排列依次相接的力学超材料基本单元，所述力学超材料基本单元包括：四角分布于
±
45
°
线上的四角星架、位于四角星架上部的上菱形架、位于四角星架下部的下菱形架、连接在上菱形架的下顶角与四角星架上部两角之间的上支梁、连接在下菱形架的上顶角与四角星架下部两角之间的下支梁、连接在上菱形架的上顶角上的t型架以及连接在下菱形架的下顶角上的倒t型架。2.根据权利要求1所述的具有四应力平台的多级变形缓冲垫，其特征在于，所述力学超材料基本单元是关于中心线的上下对称结构。3.根据权利要求1或2所述的具有四应力平台的多级变形缓冲垫，其特征在于，上菱形架各棱边的厚度等同，下菱形架各棱边的厚度相同，且上菱形架的棱边厚度与下菱形架的棱边厚度相同；上支梁的厚度与下支梁的厚度相同，四角星架中各星角边的厚度相同；将各菱形架的棱边厚度记为l1，各支梁的厚度记为l2，四角星架各星角边的厚度记为l3，则各部分的厚度条件满足：l2<l1<l3。4.根据权利要求3所述的具有四应力平台的多级变形缓冲垫，其特征在于，上支梁与四角星架上部两角的内边架组成一个与上菱形架大小相同、形状相同的菱形；下支梁与四角星架下部两角的内边架组成与下菱形架大小相同、形状相同的菱形。5.根据权利要求4所述的具有四应力平台的多级变形缓冲垫，其特征在于，各菱形的两侧顶角为60
°
。

技术总结
本实用新型涉及一种具有四应力平台的多级变形缓冲垫，其结构是缓冲垫本体包含若干横向排列依次相接的力学超材料基本单元，所述力学超材料基本单元包括：四角星架、位于四角星架上部的上菱形架、位于四角星架下部的下菱形架、连接在上菱形架的下顶角与四角星架上部两角之间的上支梁、连接在下菱形架的上顶角与四角星架下部两角之间的下支梁、连接在上菱形架的上顶角上的T型架以及连接在下菱形架的下顶角上的倒T型架。本实用新型具有而多级变形力学超材料具有至少两种以上不同的稳定结构，因此可以实现在不同稳定结构之间的顺利切换，实现显著的几何变化，由此提高了力学超材料以及由此所制备的缓冲垫的使用稳定性。由此所制备的缓冲垫的使用稳定性。由此所制备的缓冲垫的使用稳定性。


技术研发人员：马连华 兰益舟 杜席岩 周伟 刘佳 苏明明
受保护的技术使用者：河北大学
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/7/12