预折叠蜂窝结构缓冲机理及冲击动力学研究

The honeycomb structure has been widely applied in the field of buffer, because of its good environmental adaptability, specific energy absorption, stable buffering performance. With the development of orbital construction and deep space exploration，the new buffer structure must be miniaturization, lightweight, and buffering stable. However, due to a lack of effective means to reduce honeycomb structure initial peak stress, it is difficult to achieve smooth buffer effect. And study of the shock response theory considering the effect of inertia is not perfect, failing to theoretically realize miniaturization, lightweight design, more can't satisfy the new requirements in the field of space exploration. Therefore, this project intends to introduce the theory of origami to design pre-folded honeycomb structure in order to reduce the initial peak stress. Explore the cushion mechanism of pre-folded honeycomb, build the theory model of absorption. Based on the crashworthiness design for pre-folded honeycomb structure, find the optimal topology configuration and folding method. Finally, verify the correctness and feasibility of theoretical model and crashworthiness design by experiment. The results provide theoretical foundation and technical support to space buffer structure with miniaturization, lightweight, and buffering stable design, exhibiting great scientific and practical value.

蜂窝结构具有环境适应性强、比吸能大、缓冲性能稳定等优点，是一种广泛应用的缓冲结构。当前随着深空探测及大型航天器在轨构建领域的不断发展，对空间缓冲结构提出了“小型化、轻量化、缓冲力平稳”的新要求。然而，由于缺少有效降低初始峰值应力的手段，现有蜂窝结构难以实现平稳的缓冲效果，同时面外方向冲击响应理论研究的匮乏，也不利于实现快速精确的小型化、轻量化蜂窝结构设计，从而无法满足空间技术领域的新需求。为此，本课题拟开展预折叠蜂窝结构缓冲机理及冲击动力学研究，提出引入初始折叠缺陷以有效降低蜂窝结构峰值应力的新方法，探索预折叠蜂窝结构的缓冲机理和动力学行为的数学表征，揭示预折叠蜂窝结构缓冲性能随结构参数和冲击加速度的变化规律，对预折叠蜂窝结构进行耐撞性设计，并加以实验验证，为小型化、轻量化、缓冲力平稳的空间缓冲结构设计提供理论依据和技术支持，具有重要科学意义和应用价值。

针对未来我国月球探测对高性能着陆缓冲结构高效益、低成本、高适应性的技术要求，将折纸术引入到蜂窝结构设计中，通过引入初始折叠缺陷以控制预折叠蜂窝结构的变形方向以及变形模式，进而实现预折叠蜂窝结构缓冲性能的设计。采用有限元仿真手段，获得预折叠蜂窝缓冲结构受冲击载荷作用下的变形过程，研究结构塑性坍塌过程中折纸元素对缓冲性能的影响，明确各阶段缓冲变形的协调机制，建立了折纸元素与结构参数的映射关系，深入研究预折叠缓冲结构的缓冲机理。提取预折叠蜂窝结构基本胞元，分析胞元变形模式及胞元受冲击载荷作用的力学演变过程，基于直纹面假设，建立了预折叠蜂窝结构冲击动力学理论模型，揭示了折纸元素对预折叠蜂窝结构缓冲性能的影响规律，实现预折叠蜂窝结构缓冲性能的全面表征，使从理论上设计预折叠蜂窝结构缓冲性能成为可能。采用3D打印方式研制了预折叠蜂窝结构样件，进行了准静态压缩及动态冲击试验研究。采用高速摄像机记录预折叠蜂窝结构动态变形过程，使用Instron试验机获取试验过程载荷-位移曲线，将试验结果与仿真模型及理论模型对比表明，两者变形趋势、变形过程、压溃变形临界点等重要指标较为接近，验证了本项目研究成果的准确性。基于响应面方法对获取的预折叠蜂窝结构缓冲性能进行近似建模，以比吸能最大、平均应力最小为目标，以几何及应力条件为约束，找寻最佳缓冲性能的预折叠蜂窝结构参数。除项目约定的研究内容外，面向载人月球探测任务对重载、高效能、全向缓冲、地形适应性强的着陆缓冲技术需求，以我国新一代载人飞船为蓝本，借鉴蛛网结构捕获猎物的全向性、轻量化、高效性等优点，以抗多向冲击的预折叠蜂窝结构为基材，采用有限元模拟及优化设计等手段，研究蛛网结构的力学特性，探索蛛网结构缓冲性能力学本源，找寻仿蛛网缓冲结构最佳传力路径，同时进行了计及月壤影响的复杂着陆工况着陆缓冲性能研究，初步开展了预折叠蜂窝结构在月球探测领域的应用研究。