CN108953450B - 一种抗冲击能量吸收结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗冲击能量吸收结构，属于防护领域。本发明通过在“三明治”中间芯管中添加3个120°均布内管并按一定方向进行排布。在冲击作用下，中间芯管首先发生压垮，继而上部内管发生侧向滑移及变形，在中间芯管及3个内管相互作用下形成一种包覆式3管横向并列状态并最终被压垮，此结构提供一种新型组合压垮模式，能够改善结构的能量吸收能力。

Description

一种抗冲击能量吸收结构

技术领域

本发明涉及一种抗冲击能量吸收结构，属于防护领域。

背景技术

随着社会发展，社会公众对个人和公共设施对人体安全保护的呼声日益高涨。机械结构失效对人员带来的伤害所面临的法律制裁也日益严格。自20世纪70年代以来，对用以耗散碰撞(或强动载荷导致)产生动能的能量吸收结构和材料的研究受到了越来越多的重视。能量吸收结构主要应用于改善车辆的耐撞性、高速公路的安全防护能力、工业事故的防护能力、个人安全防护和结构材料包装等应用领域。

由中间芯管结构和上下覆板构成的“三明治”复合能量吸收结构，具有能量转换不可逆的特点，而且在能量吸收结构产生大变形的过程中，反作用力近似呈现矩形的力-位移特性。“三明治”结构的变形模式和能量吸收能力具有稳定和可重复的特点，在应对复杂工作条件时，具备较高的可靠性。在采用铝材作为芯管和辅助聚氨酯复合材料的情况下，“三明治”结构具备轻质特点，可以呈现出较高的比能量吸收能力。但是，“三明治”结构因其几何结构特点，压垮距离有限，且芯管变形、压垮模式单一，主要依靠有限数量的塑性铰产生塑性变形来吸收能量，比能量吸收能力仍然有限。目前已知吸能效果最优的“三明治”抗冲击吸能结构是由Z.L Yu，P.Xue和Z.Chen于2017年发表在《International Journal ofImpact Engineering》上的文章《Nested tube system applicable to protectivestructures against blast shock》，其研究结构依然存在压垮模式单一，压垮距离短，能量吸收能力有限的问题。

发明内容

本发明的目的是为了提高现有“三明治”复合吸能结构的比能量吸收能力，提供一种抗冲击能量吸收结构，该结构能够改善汽车耐撞性，或者提高高速公路的安全防护能力，以及工业事故防护能力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种抗冲击能量吸收结构，在现有“三明治”能量吸收结构的中间芯管中加入三个空心管；

所述三个空心管在中间芯管中120°均布，空心管外表面与中间芯管内表面紧密贴合；需保证其中两个空心管轴线所在平面与覆板相互平行，且位于靠近冲击波来向一侧；

所述三个空心管在中间芯管中120°均布，空心管外表面与中间芯管内表面紧密贴合；需保证其中两个空心管轴线所在平面与覆板相互平行，且位于远离冲击波来向一侧，此结构与前述结构在冲击速度低于100m/s时作用类似，当上覆板接受冲击速度高于100m/s时，前述结构吸能效果优于此结构；

所述三个空心管的材料与中间芯管材料相同；

所述三个空心管中，相对远离冲击波的单独空心管内部填充聚氨酯泡沫或采用等重钢制空心管，以增强其抗压能力，可充分保证本发明提出的变形模式顺利实现，改善吸能效果；

工作过程：在冲击波到达上腹板并向“三明治”复合能量吸收结构传播时，中间芯管首先开始压垮。中间芯管压垮初始阶段，三个空心管不发生明显变形，靠近上覆板的两个空心管沿下部单独空心管的外表面向左右两侧滑落。随着中间芯管不断压垮，上部两个空心管受到下部单独空心管和中间芯管的双重作用开始压垮，下部单独空心管的左右两侧面受到上部两个空心管的挤压作用而产生变形，导致单独空心管高度增加。随着中间芯管和三个空心管的继续相互作用，三个空心管最终在中间芯管内呈现并排模式，中间芯管内表面与三个空心管外表面充分接触，中间芯管、空心管环向各个部分产生均匀变形，从而最大限度增加塑性铰数量和压垮角度。最终中间芯管结构和空心管结构被充分压垮，达到结构的吸能极限。

有益效果

1、为了提高“三明治”复合吸能结构的比能量吸收能力，本发明提供了一种新型“三明治”复合结构，通过对中间芯管结构的设计改造，实现“三明治”结构比能量吸收能力的提高，与Z.L Yu，P.Xue和Z.Chen的研究成果相比，本研究比能量吸收能力可以提高5％。

2、设计“三明治”复合结构提供一种新型的管结构压垮方式，增加“三明治”结构的塑性铰数量和塑性铰旋转角度，增加塑性变形能。在单独空心管内填充聚氨酯泡沫或换用等质量钢制空心管，增强该空心管的刚度，充分保证本研究所提出的压垮模式能够顺利实现，其能量吸收能力较Z.L Yu，P.Xue和Z.Chen研究成果可提高5％-10％。

附图说明

图1为本发明中的抗冲击能量吸收结构实施例1的示意图；

图2为本实施例1中的“三明治”复合能量吸收结构变形过程；其中图2a为“三明治”结构的初始状态；图2b为中间芯管受冲击开始压垮，上部两个空心管沿着底部单独空心管的外表面向左右两侧滑动；图2c为上部两个空心管已经充分向底部单独空心管两侧滑动，三个空心管并列状态初步形成；图2d为三个空心管已经完全形成横向并列状态，外部的中间芯管完全包覆内部的三个空心管，形成一个类似瓦楞纸夹层三角支撑的稳固结构，随着外部冲击对吸能结构的进一步作用，整体结构进一步压垮并最终失效，达到其吸能极限。

其中，1-上覆板，2-中间芯管，3-第一空心管，4-第二空心管，5-第三空心管，6-下覆板。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种抗冲击能量吸收结构，包括：上覆板1，中间芯管2，第一空心管3，第二空心管4，第三空心管5和下覆板6；中间芯管2位于上覆板1与下覆板6之间；第一空心管3、第二空心管4和第三空心管5位于中间芯管2中间；即在现有“三明治”能量吸收结构的中间芯管中加入三个空心管；整体结构安装如图1所示。

连接关系：

上覆板1和下覆板6为钢制结构，尺寸为40*20*2mm。中间芯管2长度为20mm，外径40mm，厚度为1.6mm。第一空心管3、第二空心管4和第三空心管5位厚度均为1.2mm，长度20mm，外径14.7mm，第一空心管3、第二空心管4和第三空心管5位均布安装后，与中间芯管2紧密接触。下覆板6尺寸为60*20*2mm。

所述第一空心管3、第二空心管4和第三空心管5在中间芯管2中120°均布，它们的外表面与中间芯管2内表面紧密贴合；需保证第一空心管3和第二空心管4的轴线所在平面与覆板相互平行，且位于靠近冲击波来向一侧；

工作过程：

上覆板1接受冲击波冲击或结构冲击，由上覆板1向“三明治”结构传递冲击波使结构发生变形。在冲击波作用下，中间芯管2首先开始压垮，压垮初始，在中间芯管2和第三空心管5共同作用下，第一空心管3和第二空心管4发生侧向滑移和轻微变形。随着中间芯管2进一步压垮，第一空心管3和第二空心管4开始压垮变形。因受到双侧第一空心管3和第二空心管4的挤压作用，第三空心管5发生挤压变形，其高度开始增加并最终与中间芯管2内侧上表面发生接触。随后第一空心管3、第二空心管4和第三空心管5在中间芯管2内均匀排列，形成横向并排模式，中间芯管2和第一空心管3、第二空心管4和第三空心管5紧密贴合，形成类似瓦楞纸中间夹层的三角支撑稳定结构。如果冲击波强度足够大，紧密贴合的中间芯管2和第一空心管3、第二空心管4和第三空心管5持续变形并最终压垮，直至整个“三明治”结构达到能量吸收最大值。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种抗冲击能量吸收结构，其特征在于：包括：上覆板、中间芯管、第一空心管、第二空心管、第三空心管和下覆板；中间芯管位于上覆板与下覆板之间；第一空心管、第二空心管和第三空心管位于中间芯管中间，称为“三明治”复合能量吸收结构；

所述结构的吸能过程为：在冲击波到达上腹板并向“三明治”复合能量吸收结构传播时，中间芯管首先开始压垮；中间芯管压垮初始阶段，三个空心管不发生明显变形，靠近上覆板的两个空心管沿下部单独空心管的外表面向左右两侧滑落；随着中间芯管不断压垮，上部两个空心管受到下部单独空心管和中间芯管的双重作用开始压垮，下部单独空心管的左右两侧面受到上部两个空心管的挤压作用而产生变形，导致单独空心管高度增加；随着中间芯管和三个空心管的继续相互作用，三个空心管最终在中间芯管内呈现并排模式，中间芯管内表面与三个空心管外表面充分接触，中间芯管、空心管环向各个部分产生均匀变形，从而最大限度增加塑性铰数量和压垮角度；最终中间芯管结构和空心管结构被充分压垮，达到结构的吸能极限。

2.如权利要求1所述的一种抗冲击能量吸收结构，其特征在于：所述三个空心管在中间芯管中120°均布，第一空心管、第二空心管和第三空心管外表面与中间芯管内表面紧密贴合；需保证其中两个空心管轴线所在平面与覆板相互平行，且位于靠近冲击波来向一侧。

3.如权利要求1或2所述的一种抗冲击能量吸收结构，其特征在于：所述第一空心管、第二空心管和第三空心管的材料与中间芯管材料相同。

4.如权利要求1或2所述的一种抗冲击能量吸收结构，其特征在于：第一空心管、第二空心管和第三空心管中，相对远离冲击波的单独空心管内部填充聚氨酯泡沫或采用等重钢制空心管。