轻型折纸结构

       相比于一般结构,轻型结构因具有更高的吸能比等机械特性而受到人们的青睐。近年来,折纸设计方法被广泛应用于轻型结构的设计中,因为这种方法能构造复杂的三维结构并且有效提高结构的机械性能。本实验室主要针对薄壁管状折纸结构的设计方法及其机械性能进行了研究。

1 薄壁吸能结构

       对一个kite型刚性折纸图案进行预折叠设计了一个可以作为能量吸收装置的新型薄壁结构。通过对这个结构进行准静态轴向载荷下的数值模拟和理论分析,发现这个结构的力曲线可以在保证较高数值的同时变得更加平滑。与传统的方形管相比,kite型薄壁管的这种力响应曲线使其在保证能量吸收效率有效增长的同时能有较低的初始峰值力。根据优化结果,这个新型薄壁结构最多可提高29.2%的能量吸收率并降低56.5%的初始峰值力。

kite型刚性折纸图案的薄壁结构

2. 后屈曲薄壁结构

       在薄壁结构表面引入一系列预压制的折痕图案,以引导其弹性屈曲过程,从而获得精确符合预先设计的后屈曲构型。这种预制折纹方法的精确性已经得到充分的实验验证。此外,用能量分析方法可以说明这一类薄壁结构的双稳态特性及屈曲变形机理。针对不同边界条件或具有不同刚度的机械结构,用这种预制折纹的方法均可获得相应薄壁结构的可预测的屈曲模态。

可预测屈曲模态的薄壁结构