CN104276113A - 一种压溃历程可控的冲击吸能装置 - Google Patents

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魏延鹏
杨喆
黄晨光
吴先前
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
    • B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
    • B60R19/18—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by the cross-section; Means within the bumper to absorb impact

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Abstract

本发明公开了一种压溃历程可控的冲击吸能装置，所示装置包括沿着薄壁圆筒长度L方向布置的四层填充材料，从上到下填充材料的相对密度依次为ρ1-ρ4，所述相对密度ρ1-ρ4与圆筒尺寸圆筒直径D、圆筒壁厚h、圆筒长度L共同决定着各段平均压溃力的大小，压溃力的大小与相对密度成正比关系。本发明公开的装置可以将各段的平均压溃力进行整合获得整体分段的压溃力历程，从而实现对整体压溃力历程的精确调节与控制，以此方法制造的吸能装置不但具有压溃力历程可调的功能，同时在承受非对称撞击时具有较好的稳定性，一定程度上避免欧拉屈曲的情况出现，还可以提高结构的比吸能能力。

Description

一种压溃历程可控的冲击吸能装置
技术领域
本发明涉及碰撞吸能安全防护领域，具体涉及一种压溃历程可控的冲击吸能装置。 
背景技术
随着汽车、高速列车等交通工具的不断发展及运行速度的不断提高，其碰撞安全性越来越受到人们的关注，由于碰撞事故会造成重大人身伤亡和财产损失，碰撞问题已成为汽车、高速列车等结构设计时必须考虑的问题。此外，轻量化设计的趋势要求碰撞吸能装置更加高效轻质。由于金属薄壁筒在轴压下一般有稳定的渐进破坏模式，通过塑性屈曲吸收可观的能量，且车身中含有大量的薄壁结构，因此传统的吸能结构一般选用薄壁金属筒。薄壁圆筒的比吸能能力较高且制作成本较低，因而受到最广泛的应用。经过合理的设计，薄壁圆筒具有可控制的破坏模式，较平稳的压溃载荷，是一种有益的缓冲结构，然后，单纯的薄壁圆筒承受费轴向载荷的能力较弱，易发生欧拉屈曲，导致吸能不充分。 
近年来备受关注的轻质多孔材料，如泡沫铝、蜂窝等，由于其质量轻，平台压溃力很平稳，利于平稳的吸能。而将多孔材料与薄壁结构相结合，能获得满意的吸能效果，由于耦合效应，填充结构的能量吸收远大于多孔材料和薄壁筒各自单独的能量吸收之和。填充材料的引入还可以提高薄壁结构的稳定性，降低薄壁筒发生欧拉屈曲的可能性，从而保证结构的吸能能力。 
前人已经针对薄壁圆筒进行了大量的研究，针对冲击载荷作用下的动 态渐进屈曲，获得了其不同变形模式(圆环模式、钻石模式)的平均压溃力的理论公式；针对泡沫材料，也通过大量的实验研究与理论推导获得的了不同相对密度材料的应力-应变关系。针对填充结构，通过理论推导与实验手段，同时考虑泡沫材料与薄壁空筒二者单独的吸能效应及二者的相互作用，获得了平均压溃力公式。但是对于填充结构的压溃力历程，尚未做出过准确的把握。 
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种压溃历程可控的冲击吸能装置，用以解决上述现有技术中存在的技术问题。 
本发明提供了一种压溃历程可控的冲击吸能装置，所示装置包括沿着薄壁圆筒长度L方向布置的四层填充材料，从上到下填充材料的相对密度依次为ρ1-ρ4，所述相对密度ρ1-ρ4与圆筒尺寸圆筒直径D、圆筒壁厚h、圆筒长度L共同决定着各段平均压溃力的大小，压溃力的大小与相对密度成正比关系。 
进一步地，根据需要，可以增加或减少所述单元吸能结构的数量。 
进一步地，所述相对密度ρ1-ρ4的大小关系为ρ1<ρ2<ρ3<ρ4。 
进一步地，根据需要，可以调节L1-L4的大小。 
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。具体而言，本发明通过在薄壁圆筒内部不同位置填充不同相对密度和胞元尺寸的泡沫材料，可以有效控制压溃起始点在材料相对密度较低段，同时，可以将各段的平均压溃力进行整合获得整体分段的压溃力历程，从而实现对整体压溃力历程的精确调节与控制，以此方法制造的吸能装置不但具有压溃力历程可调的功能，同时在承受非对称撞击时具有较好的稳定性，一定程度上避免欧拉屈曲的情况出现，还可以提高结构的比吸能能力。 
附图说明
图1为压溃历程可控的冲击吸能装置示意图。 
其中：D：圆筒直径，L：圆筒长度，h：圆筒壁厚。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的压溃历程可控的冲击吸能装置的具体实施方式做详细说明。 
利用不同相对密度的填充材料会造成不同大小的屈曲压溃力的理论，本发明设置了沿筒长方向不同相对密度的填充材料。如图1所示，从上到下填充材料的相对密度依次为ρ1-ρ4。在实际运用中，根据压溃力调节的具体需要，可以设置更多不同的相对密度材料。 
填充材料的不同相对密度可以精确控制每部分的屈曲平台压溃力，相对密度ρ1-ρ4与圆筒尺寸圆筒直径D、圆筒壁厚h、圆筒长度L共同决定着各段平均压溃力的大小，压溃力的大小与相对密度成正比关系。则可根据对压溃力的控制需求，由上端开始设置相对密度为ρ1-ρ4的填充材料，各部分长度分别为L1-L4。其中ρ1-ρ4，L1-L4均为可调控的参数。 
如果相对密度之间的关系为ρ1<ρ2<ρ3<ρ4，则屈曲从密度最小的ρ1端开始进行，逐步向相对密度高的下端发展。由此可看出，本方案可以通过布置不同相对密度的填充材料控制屈曲发展进程。 
各部分的平台压溃力均可由理论公式计算得出，因此针对布置多层不同相对密度的填充材料，可以分段计算获得其平台压溃力，整体的压溃力历程就可由各段集合得到。所述理论公式为： 
其中r为圆筒半径，t为圆筒壁厚，σ0为圆筒材料的屈服强度，为瞬时应变率，D，n为材料相关的Cowper-symonds方程系数。σs为泡沫材料的屈服强度，表征泡沫薄壁之间的材料含量，ρn为泡沫材料的相对密度，为泡沫材料准静态压缩时的应变率，为一定加载速率下泡沫的应变率。 
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (4)

1.一种压溃历程可控的冲击吸能装置，所示装置包括沿着薄壁圆筒长度L方向布置的四层填充材料，从上到下填充材料的相对密度依次为ρ1-ρ4，所述相对密度ρ1-ρ4与圆筒尺寸圆筒直径D、圆筒壁厚h、圆筒长度L共同决定着各段平均压溃力的大小，压溃力的大小与相对密度成正比关系。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，根据需要，可以增加或减少所述单元吸能结构的数量。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述相对密度ρ1-ρ4的大小关系为ρ1<ρ2<ρ3<ρ4。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，根据需要，可以调节L1-L4的大小。
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