[0001] 本发明属于吸能装置技术领域，更具体地，涉及一种正负泊松比循环杂交抗冲吸能结构及其应用。

[0002] 现代社会中，很多目标在使用过程中会遭受到冲击载荷的作用，从而造成不可逆的损伤甚至破坏。如，舰船在遭受爆炸冲击波作用时，其结构会发生大变形或撕裂破坏；在汽车失控的情形下，路边护栏会遭受汽车的撞击；当穿行桥梁的船舶失控时，桥墩有可能遭受船舶的撞击；等等。为了抵御上述冲击载荷的作用，保护内部重要舱室、减小汽车和桥墩损伤等，往往需要设置一定的抗冲/缓冲吸能结构，以减缓、衰减冲击载荷，吸收冲击能量，从而达到保护的目的。

[0003] 对于舰船结构抗冲击问题，目前大多采用蜂窝、波纹等宏观正泊松比效应芯层吸收冲击能量，以减小夹芯板的背板变形程度，自身的吸能效率有待提高。此外，尽管在芯层胞元中通过填充泡沫等方式，能在一定程度上提高芯层的吸能效率，但由于芯层胞元的正泊松比效应，填充泡沫材料不能全方位充分压缩，仍未能发挥泡沫材料的压缩吸能能力。而在汽车防撞领域，很多路边吸能结构基本上都是利用金属材料的延性吸能，但灵活性欠缺；防撞水挡虽然具有较好的灵活布置特点，但其主要作用还是在“挡”，虽具有一定的缓冲作用，但对吸能作用非常有限。在桥梁防撞领域，则更多地侧重缓冲的效果，即增大撞击时长，降低撞击力峰值。

[0004] 例如，专利文献CN102700488B公开了一种缓冲吸能结构，该吸能结构由金属泡沫材料或金属蜂窝材料梯度填充于中空的金属薄壁结构形成。这种结构主要通过泡沫或蜂窝材料的纵向压缩进行吸能，存在纵向压缩位移相对较大，填充材料压缩吸能过程不充分的问题。

[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0026] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0027] 本发明实施例提供了一种正负泊松比循环杂交抗冲吸能结构，包括第一侧壁板10、第二侧壁板70、具有正泊松比效应的正泊松比胞元20、具有负泊松比效应的负泊松比胞元30、分别填充于正泊松比胞元20和负泊松比胞元30中的第一填充材料40和第二填充材料
50，其中，所述正泊松比胞元20和负泊松比胞元30沿横向交替紧密排列在第一侧壁板10和第二侧壁板70之间，所述第一填充材料40为液体，通过填充有液体的正泊松比胞元20将部分纵向受力转化为横向挤压力，所述横向为由第一侧壁板10指向第二侧壁板70的方向，所述纵向为垂直于所述横向的方向。上述“横向”为图1中所示的MN方向，“纵向”为图1中所示出的AB方向。

[0028] 在上述方案中，所述侧壁板10用于构成封闭空间并保证纵向静强度；所述正泊松比胞元20用于装载第一填充材料40并在抗冲过程中发生鼓胀和挤压变形吸能；所述负泊松比胞元30用于装载第二填充材料50并在抗冲过程中产生协调变形吸能；所述正泊松比胞元20装载的第一填充材料40用于在抗冲过程中沿横向产生挤压载荷，进一步挤压负泊松比胞元30；所述负泊松比胞元30中的第二填充材料50用于抗冲压缩吸能。

[0029] 在一种可行的方式中，所述正泊松比胞元20基于正六边形设置，所述负泊松比胞元30基于与所述正六边形相配合的内凹六边形或双箭矢形设置。可以理解为所述正泊松比胞元20的横向截面为正六边形，所述负泊松比胞元30的横向截面为与所述正六边形相配合的内凹六边形或双箭矢形。若干个正泊松比胞元20在纵向上叠加形成一列正泊松比胞元，若干个负泊松比胞元30在纵向上叠加形成一列负泊松比胞元，所述一列正泊松比胞元和所述一列负泊松比胞元在横向上交替紧密排列。

[0030] 所述第一填充材料40为淡水或海水。所述第一填充材料40的装载量为占正泊松比胞元体积的100％。

[0031] 在一种可行的方式中，与第一侧壁板10和第二侧壁板70连接的为负泊松比胞元30，该负泊松比胞元30通过基于三角形设置辅助部60与第一侧壁板10和第二侧壁板70连接，该辅助部60中填充有泡沫材料。可以理解为，该辅助部60的横向截面为三角形。

[0032] 在另一种可行的方式中，与第一侧壁板10和第二侧壁板70连接的负泊松比胞元30可以为单侧内凹结构，即该负泊松比胞元30与第一侧壁板10和第二侧壁板70接触的一侧为平面结构，而与正泊松比胞元20的另一测为内凹结构，形成内凹五边形的结构。此时，则无需辅助部60。

[0033] 在上述方案中，所述第二填充材料50为聚氨酯泡沫、PVC泡沫、酚醛泡沫、泡沫铝或Voronoi泡沫。所述正泊松比胞元20和负泊松比胞元30的胞壁为高强度合金材料或纤维增强复合材料。其中，所述合金材料为抗拉强度在1620MPa以上的合金钢、拉伸强度在1100‑1400MPa之间的钛合金或拉伸强度大于480MPa的铝合金。需要说明的是，上述对正泊松比胞元20和负泊松比胞元30的胞壁的材料的示例不应理解为对本发明的限制，正泊松比胞元20和负泊松比胞元30的胞壁的材料还可以为其他材料，例如将本发明实施例应用于桥梁防撞时，考虑到经济成本，只需采用普通的碳钢即可。

[0034] 所述纤维增强复合材料为聚乙烯纤维增强复合材料、Kevlar纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料或PBO纤维增强复合材料。示例性地，所述纤维增强复合材料可以为 HB26树脂基超高分子量聚乙烯纤维增强复合材料、环氧树脂基Kevlar‑129纤维增强复合材料、环氧树脂基CT736芳纶纤维增强复合材料、聚碳酸酯基SW220玻璃纤维增强复合材料、环氧树脂基T700碳纤维增强复合材料或环氧树脂基 PBO纤维增强复合材料等。

[0035] 本发明另一个实施例提供了一种上文所述的抗冲吸能结构的应用，所述应用包括：用于保护待防护装置，按照将第一侧壁板10和第二侧壁板70垂直于待防护装置表面的方向设置所述抗冲吸能结构，以使得正泊松比胞元20和负泊松比胞元30均与待防护装置接触，且在待防护装置表面交替紧密排列。

[0036] 下面通过两个具体实施例进一步对本发明提供的技术方案进行详细说明：

[0037] 实施例1

[0038] 参见图1和图3，抗冲目标(待防护装置)受到沿纵向作用的冲击载荷200，六边形正泊松比胞元20与内凹形负泊松比胞元30沿横向循环杂交，与第一侧壁板10和第二侧壁板70形成封闭的吸能结构；六边形正泊松比胞元20与内凹形负泊松比胞元30循环杂交的层数可根据需要，在满足重量和空间限制的条件下，进行合理地选取；液体填充材料40填充于六边形正泊松比胞元20中，泡沫填充材料50填充于内凹形负泊松比胞元30中。当冲击载荷200作用时，六边形正泊松比胞元20发生压缩变形，其内部液体填充材料40由于不可压缩，沿横向流动使六边形正泊松比胞元20发生横向的鼓胀变形，并产生横向的挤压力300；横向挤压力300作用于相邻的内凹形负泊松比胞元30；内凹形负泊松比胞元30在冲击载荷200和横向挤压力300作用下，同时发生纵向和横向的压缩变形；内凹形负泊松比胞元30中的泡沫填充材料50被全方位压缩而充分吸能。

[0039] 实施例2

[0040] 参见图2和图4，抗冲目标(待防护装置)受到沿纵向作用的冲击载荷200，六边形正泊松比胞元20与双箭矢形负泊松比胞元30沿横向循环杂交，与第一侧壁板10和第二侧壁板70形成封闭吸能结构；六边形正泊松比胞元20与双箭矢形负泊松比胞元30循环杂交的层数可根据需要，在满足重量和空间限制的条件下，进行合理地选取；液体填充材料40填充于六边形正泊松比胞元20中，泡沫填充材料50填充于双箭矢形负泊松比胞元30中。当冲击载荷
200作用时，六边形正泊松比胞元20发生压缩变形，其内部液体填充材料40由于不可压缩，沿横向流动使六边形正泊松比胞元20发生横向的鼓胀变形，并产生横向的挤压力300；横向挤压力300作用于相邻的双箭矢形负泊松比胞元30；双箭矢形负泊松比胞元30在冲击载荷
200和横向挤压力300作用下，同时发生纵向和横向的压缩变形；双箭矢负泊松比胞元30中的泡沫填充材料50被全方位压缩而充分吸能。

[0041] 当舰船结构面临装药爆炸冲击波作用时，或公路两边护栏装置受到汽车的碰撞时，或桥墩受到船舶等运动物体碰撞时，均相当于受到冲击载荷200的作用。当冲击载荷200作用于抗冲吸能结构100时，正泊松比胞元20受到冲击发生压缩，内部液体填充材料40发生横向流动，使正泊松比胞元20横向鼓胀产生横向挤压力300；负泊松比胞元30在冲击载荷200和横向挤压力300共同作用下，同时发生纵向和横向压缩变形，其内部泡沫填充材料50也同时受到纵向和横向两方向全方位的压缩而充分吸能；剩余的冲击能量则以应力波的形式在吸能结构100中传播；利用吸能结构100的循环杂交波阻特性改变应力波的传播规律，吸收掉剩余的冲击能量。

[0042] 本发明提出的正负泊松比循环杂交抗冲吸能结构100，能使正泊松比胞元20层与负泊松比胞元30层之间很好地协调变形，充分发挥负泊松比胞元20中的泡沫填充材料50的压缩吸能能力，能将冲击方向的载荷转化为垂直冲击方向的载荷进行耗散，可有效减小吸能位移行程，从而能有效提高吸能结构100的整体吸能效率，同时能大大减小吸能位移行程。

[0043] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。