CN106763401A - 薄壁金属管梯次缓冲吸能结构 - Google Patents

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梁增友
张志涛
邓德志
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
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Abstract

本发明提供一种薄壁金属管组合式吸能结构，其结构具体由锥台、薄壁金属管、吸能材料及圆饼状剪切板组成；其中锥台与金属管之间采用间隙配合；缓冲材料选择单位体积吸能量较大的多孔泡沫材料或是储能材料；锥台的横截面为圆形，母线呈圆弧形状，锥台刻有一圈或多圈环形刻槽，且刻槽的尺寸及圈数取决于缓冲材料的材料属性；薄壁金属管由不定径段和定径段组成，金属管的不定径段呈圆弧状，不定径段的曲率与锥台曲率相同，定径段由n级串联而成。此种结构可应用于汽车保险杠、航天器着陆器、弹载设备的过载保护等，可有效降低金属管缓冲吸能结构在作用过程中的初期峰值，提高稳定区的稳定性，保障人员及设备的安全。

Description

薄壁金属管梯次缓冲吸能结构
技术领域
本发明属于抗高过载结构设计领域，具体涉及一种薄壁金属管梯次缓冲吸能结构。
背景技术
薄壁金属管塑性变形缓冲器是能量吸收装置的一种，它主要由薄壁金属管和锥台两部分组成，被保护对象以一定的速度冲击锥台，当被保护对象和锥台的惯性力超过金属管的阈值时，由于金属管定径段的内径小于锥台的外径，被保护对象与锥台沿金属管轴向运动，使得金属管径向发生弹塑性变形，金属管径向弹塑性变形与金属管和锥台间的摩擦力共同形成了对锥台和被保护对象的缓冲力，缓冲力的大小与金属管的材料、壁厚以及锥角等结构参数有关。薄壁金属管在扩径过程中的过载峰值和稳定区缓冲力的稳定性是衡量薄壁金属管组合吸能结构是否优越的两个重要指标。
当前薄壁金属管吸能结构的不定径段通常是以与金属管轴线成一定夹角的直线方式进行过渡，但是由于在高速冲击过程中的应力波作用，使得金属管在作用初期出现一个较高的过载峰值；随着吸能材料的不断压缩，填充在金属管内部的吸能材料与金属管内壁剧烈摩擦，使部分吸能材料附着在金属管内壁，夹在锥台与金属管之间，严重影响稳定区缓冲力的稳定性。
发明内容
针对上述不足之处，本发明的目的在于：提供一种薄壁金属管梯次缓冲吸能结构，使其能够降低金属管作用的初期峰值，提高过载稳定区的稳定性，实现金属管的分段式吸能，提高薄壁金属管组合结构的吸能效率。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：提供一种薄壁金属管梯次缓冲吸能结构，其结构包括：锥台、薄壁金属管、缓冲材料及带有弧度的圆饼状剪切板；所述锥台的横截面为圆形，锥台的母线呈圆弧形状，且侧面刻有环形刻槽；所述薄壁金属管由不定径段和定径段组成，薄壁金属管的不定径段呈圆弧状，不定径段的曲率与锥台曲率相同，对应锥台上的环形刻槽设置有凸起结构；定径段由n级（n≥1）串联而成，锥台与薄壁金属管之间采用间隙配合；所述圆饼状剪切板设置于相邻两定径段之间；相邻两定径段的连接处内侧会形成宽度为t的间隙，用于设置圆饼状剪切板。
所述薄壁金属管分为等壁厚、不等壁厚两种结构；其中等壁厚结构的定径段与不定径段壁厚相等；不等壁结构中不定径段的壁厚小于定径段的壁厚，在定径段与不定径段的连接位置，配合不定径段的厚度对定径段接口处位置进行削减，削减结构为楔形结构，削减后的剪切面与不定径段形成夹角α，α选取130°～160°。
所述缓冲材料选择吸能材料和缓冲材料中的任意一种，其中，选择单位体积吸能量较大的多孔泡沫材料作为储能材料，选取橡胶、弹性胶泥中的任意一种；吸能材料选择蜂窝状的金属材料，选取泡沫铝、泡沫钢、泡沫铜中的任意一种。
圆饼状剪切板的材料属性、规格以及U型槽深度根据被保护对象允许的最大过载值确定；刻槽的尺寸及圈数取决于缓冲材料的材料属性，金属管的结构参数（壁厚、锥角、材料等）取决于薄壁金属管组合式吸能结构的应用场合。
本发明的有益效果是：可应用于汽车保险杠、航天器着陆器、弹载设备的过载保护等，有效降低了金属管缓冲吸能结构在作用过程中的初期峰值，提高了稳定区的稳定性，有助于保障人员及设备的安全；同时，降低了因为初期峰值以及过载的波动而造成人员伤亡或仪器损坏的概率。
附图说明
图1是等壁厚新型薄壁金属管缓冲吸能结构图；
图2是非等壁厚新型薄壁金属管缓冲吸能结构图；
图3是锥台结构图；
图4是薄壁金属管结构图；
图中：1、被保护对象；2、锥台；3、刻槽；4、缓冲材料；5、薄壁金属管；6、不定径段；7、n级吸能定径段；8、圆饼状剪切板。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明所给出的结构作出说明。如图1、2所示，为了提高锥台2的材料强度，将成型的锥台2淬火处理，将淬火处理后的锥台2进行去应力退火，消除锥台2内部应力。如图3所示，锥台2的母线呈圆弧状，锥台2底面直径与薄壁金属管定径段7的内径相同，锥台2与金属管的不定径段6通过间隙配合方式进行配合。缓冲材料4的高度略低于薄壁金属管定径段7，锥台2的刻槽3尺寸取决于缓冲材料4对薄壁金属管5内壁的粘附性，缓冲材料4的粘附性较高时刻槽3的尺寸稍大，防止缓冲材料4在薄壁金属管5内壁过多，填满刻槽3，使刻槽3失去作用。
如图4所示，圆饼状剪切板8与薄壁金属管定径段7配合，根据实际需要选择薄壁金属管定径段7的长度以及分段数，相邻两定径段的连接处内侧会形成宽度为t的间隙，用于设置圆饼状剪切板。
薄壁金属管5的壁厚、锥角、以及材料属性等关键参数取决于被保护对象1对锥台2的作用力，通过调节薄壁金属管5的锥角、材料以及金属管5的壁厚，可以使金属管组合吸能结构适用于不同的工作场合。
安装过程：安装顺序应从薄壁金属管最底端开始，首先，将成型的圆饼状剪切板8放置到薄壁金属管定径段7的平台上，安装上一级薄壁金属管；然后，将预制高度的缓冲材料4安装到薄壁金属管5中，后面的圆饼状剪切板8以及缓冲材料4依次安装；其次，将锥台2与薄壁金属管5的不定径段6进行配合，薄壁金属管5的不定段6与锥台2以圆弧接触，有一定自定心作用；最后，将被保护对象1安装在锥台2上，被保护对象1的底面最大直径应小于锥台2的直径。根据该缓冲器的应用的场合，将多组新型薄壁金属管缓冲吸能结构并联使用，可达到吸能稳定、安装方便的效果。

Claims (5)

1.薄壁金属管梯次缓冲吸能结构，其特征是：薄壁金属管缓冲吸能结构由带有刻槽的锥台、薄壁金属管、缓冲材料以及圆饼状剪切板组成，
所述锥台母线呈圆弧状与薄壁金属管的不定径段配合，锥台有环形刻槽；
所述薄壁金属管定径段有n段定径段节串联而成，定径段的节与节之间留有圆形槽，圆饼状剪切板与圆形槽配合；圆饼状剪切板呈薄壳状带有一定弧度，圆饼状剪切板带有U型刻槽；
所述薄壁金属管的不定径段内壁呈圆弧状，曲率与锥台曲率相同；对应锥台上的环形刻槽设置有凸起结构，锥台与薄壁金属管之间采用间隙配合；
所述薄壁金属管分为等壁厚、不等壁厚两种结构；其中等壁厚结构的定径段与不定径段壁厚相等；不等壁结构中不定径段的壁厚小于定径段的壁厚，在定径段与不定径段的连接位置，配合不定径段的厚度对定径段接口处位置进行削减，削减结构为楔形结构，削减后的剪切面与不定径段形成夹角α；
所述缓冲材料选用吸能材料、储能材料中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的薄壁金属管梯次缓冲吸能结构，其特征在于，所述薄壁金属管不定径段与定径段削减后的剪切面所形成的夹角 α选取130°～160°。
3.根据权利要求1所述的薄壁金属管梯次缓冲吸能结构，其特征在于，所述吸能材料是蜂窝状的金属材料，选取泡沫铝、泡沫钢、泡沫铜中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的薄壁金属管梯次缓冲吸能结构，其特征在于，所述储能材料选择单位体积吸收能量较大的多孔泡沫材料，选取橡胶、弹性胶泥中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的薄壁金属管梯次缓冲吸能结构，其特征在于，所述所述薄壁金属管定径段的串联数量n≥1。
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