一种多梯度仿生波纹夹层板-泡沫芯防撞吸能装置

本发明涉及仿生吸能结构，具体是一种多梯度仿生波纹夹层板-泡沫芯防撞吸能装置。

背景技术：

1、随着新能源汽车保有量的快速增涨，城市新能源汽车停车场的柱子发生车辆碰撞的风险更高。据统计，某国汽车撞击建筑物事故的发生频率为每天60余次，停车结构遭到汽车撞击的威胁逐年增加。并且，新能源汽车的整车质量大、低速段加速能力高，一旦发生撞击，停车场柱和汽车均将遭受严重的破坏。通过防撞装置提高停车场柱子的抗撞击性能，会减少车辆撞击所带来的伤害，同样也会减少建筑因为撞击而发生的一系列问题。因此，提出一种防撞装置，进而提升新能源停车场柱子的防撞性能是十分重要的。

2、自然界中存在很多科学奥秘，基于动植物的微观结构而衍生的仿生学成为解决实际问题和科学难题的关键途径。雀尾螳螂虾是一种通过虾螯高速冲击进行捕食的高度发达的口足类肉食性动物，虾螯能承受较高强度的冲击并吸收冲击能量，呈现出了高强、耐冲击的特性。研究人员发现，雀尾螳螂虾其优异的抗冲击能力得益于其虾螯内部的生物微观结构，虾螯抗冲击区域结构中存在近似三角形微型单元。以此为启发，可防撞装置引入与虾螯微观结构相似的三角形波纹夹层以期提升其抗冲击性能。此外，聚氨酯、聚乙烯等泡沫具有较好的吸能特性，可将该类轻质、高吸能泡沫填充至波纹夹层内，进一步提升防撞装置的冲击吸能性能。

技术实现思路

1、针对现有的新能源停车场柱子所存在的问题，基于仿生学原理，选取自然界中常受高速冲击的赤尾螳螂虾为灵感，设计多梯度仿生波纹夹层板-泡沫芯防撞吸能装置。本发明提供了一种多梯度仿生波纹夹层板-泡沫芯防撞吸能装置，本装置不仅制作工艺不复杂、轻质高强，而且还具有抗冲击、吸能、承压等优点，可以极大减少汽车撞击对停车结构柱子、车辆及乘员造成的危害。

2、本发明解决其技术问题采用如下技术方案：

3、一种多梯度仿生波纹夹层板-泡沫芯防撞吸能装置，包括外置仿生波纹夹层板、内置仿生波纹骨架和泡沫芯，外置仿生波纹夹层板包括第一层波纹夹层板和第二层波纹夹层板，第一层波纹夹层板和第二层波纹夹层板设置支撑隔板分隔成三角形单元；内置仿生波纹骨架包括第一层仿生波纹骨架和第二层仿生波纹骨架，第一层仿生波纹骨架和第二层仿生波纹骨架设置支撑隔板分隔成三角形单元；第一层仿生波纹骨架和第二层仿生波纹骨架的三角形单元内喷涂泡沫芯形成填充材料层。

4、进一步的，所述外置仿生波纹夹层板与钢柱的翼缘连接，所述内置仿生波纹骨架和泡沫芯与钢柱的腹板连接。

5、进一步的，所述第一层波纹夹层板的三角形单元为小三角形单元，第二层波纹夹层板的三角形单元为中三角形单元，第一层仿生波纹骨架的三角形单元为大三角形单元，第二层仿生波纹骨架的三角形单元为超大三角形单元，小三角形单元截面面积＜中三角形单元截面面积＜大三角形单元截面面积＜超大三角形单元的截面面积。

6、进一步的，所述内置仿生波纹骨架包括2个第一层仿生波纹骨架和2个第二层仿生波纹骨架，2个第二层仿生波纹骨架贴合组成联合体，2个第一层仿生波纹骨架分别位于联合体两侧。

7、进一步的，所述小三角形单元、中三角形单元、大三角形单元和超大三角形单元逐层堆叠排布。

8、进一步的，所述外置仿生波纹夹层板的整体高度l1与内置仿生波纹骨架的整体高度l2相等，且l1= l2≥0.7m。

9、进一步的，所述第一层波纹夹层板的小三角形单元高宽比c11=a11/b11，且1.5≤c11≤2.5；第二层波纹夹层板的中三角形单元高度a12与第一层波纹夹层板的小三角形单元高度a11一致，即a11=a12；第二层波纹夹层板的中三角形单元宽度b12是第一层波纹夹层板的小三角形单元宽度b11的2倍，即b12=2b11；第二层波纹夹层板的中三角形单元高宽比是第一层波纹夹层板11的小三角形单元高宽比的一半，即c12=a12/b12=1/2c11。

10、进一步的，所述第一层波纹夹层板的板厚t11为第二层波纹夹层板的板厚t12的0.5-1倍，即0.5t12≤t11≤t12；第二层波纹夹层板的板厚t12不低于3mm，即t12≥3mm。

11、进一步的，所述第一层仿生波纹骨架的大三角形单元高宽比c21=a21/b21，c21取值0.4-0.8，即0.4≤c21≤0.8；第二层仿生波纹骨架的超大三角形单元高度是第一层仿生波纹骨架的大三角形单元高度1-1.5倍，即a21≤a22≤1.5a21；第二层仿生波纹骨架的超大三角形单元宽度是第一层仿生波纹骨架的大三角形单元宽度的2倍，即b22=2b21；第二层仿生波纹骨架的超大三角形单元高宽比是0.5-0.75倍，即0.5c21≤c22≤0.75c21。

12、进一步的，所述第一层仿生波纹骨架的板厚t21为第二层仿生波纹骨架的板厚t22的0.5-1倍，即0.5t22≤t21≤t22；第二层仿生波纹骨架的板厚t22不低于4mm，即t22≥4mm。

13、一种多梯度仿生波纹夹层板-泡沫芯防撞吸能装置，用于新能源停车场的柱结构防护， 外置仿生波纹夹层板和内置仿生波纹骨架为铝合金材料。铝合金具有密度低、力学性能佳、加工性能好及抗腐蚀性能等优良特点。所述泡沫芯可为聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、泡沫铝等。外置仿生波纹夹层板和内置仿生波纹骨架与钢柱的连接方式为粘贴，一般采用聚氨酯胶粘剂使防撞装置与钢柱粘合。聚氨酯胶粘剂是一种具有环保性能的新兴材料，具有弹性较好、黏性高、抗磨损性能突出等优势。

14、本发明的有益效果为：

15、1．本发明提供一种多梯度的仿生复合夹层结构，包括外置仿生波纹夹层板、内置仿生波纹骨架、泡沫芯，其外置仿生波纹夹层板和内置仿生波纹骨架是以赤尾螳螂虾微观结构为灵感而设计的具有多梯度三角单元层的结构特性，所述外置仿生波纹夹层板和内置仿生波纹骨架的多梯度三角形单元设置是以雀尾螳螂虾的虾螯内部微观结构为仿生原型，三角形单元为多层布置，且不同层的三角形单元为多梯度设置，即每层的三角形单元的尺寸呈现一定倍数关系。而泡沫芯与内置仿生波纹骨架组成了具有较强吸能和支撑作用的复合结构。

16、2．其外置仿生波纹夹层板由多梯度的三角形单元层组成，当冲击荷载施加时，多梯度三角形单元将产生相互挤压变形，实现对冲击力的多阶段传递，同时吸收大量冲击能量，减少停车结构钢柱吸收内能，从而减少柱体承受的外部撞击力和侧向位移，具有较强的防撞吸能作用。所述外置仿生波纹夹层板小三角形单元、中三角形单元所组成的联合体可形成多梯度的吸能结构，在冲击荷载下该多梯度吸能结构可形成多孔组合效应，大幅吸收冲击能量。

17、3．其内置仿生波纹骨架由多梯度较大三角形单元层组成，当柱体受到撞击时，多梯度三角形单元层将对柱体产生较强的支撑作用，并可将冲击力向非撞击位置传递，从而进一步减轻冲击能量；所述内置仿生波纹骨架是由2个第一层仿生波纹骨架和2个第二层仿生波纹骨架组成的联合体，可对钢柱形成多梯度支撑体系，在冲击荷载下该联合体可防止钢柱的扭转屈曲、变形以及不利损伤。

18、4．其泡沫芯可为聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、泡沫铝等，这些泡沫不但具有轻质、保温等特性，还能够吸收一定的冲击能量，并可对内置仿生波纹骨架形成支撑和保护，大幅提升现有结构钢柱的防汽车撞击能力。

19、5．将多梯度仿生波纹夹层结构和泡沫材料的优点相结合，全面提升停车结构柱抗冲击性能和吸能能力，降低车辆碰撞引起的人员伤害、车辆起火和公共设施损害概率，同时具有保温效果。