CN110145562A - 一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能*** - Google Patents

一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，为金属材料制成竹节状薄壁管结构，组合结构由若干个仿竹节薄壁管分结构交错堆叠组成，每个仿竹节薄壁管分结构沿轴向的横截面为尺寸周期性变化的圆。本发明通过仿照佛肚竹特殊的外形结构进行设计，实现在空间多个方向冲击过程中各个竹节状分结构之间的自锁定，克服了传统吸能***需要在外部安装约束装置或在在内部加工连接装置的缺陷，大大降低了拆装的时间成本和人力物力成本，也克服了哑铃状薄壁管结构只能应对特定单一方向冲击保持自锁的不足，利用自锁效应将冲击能量转化为结构的塑性耗散和摩擦耗散，既能够高效吸收冲击能量，又能降低冲击物的回弹影响。根据冲击物能量和场地实际情况，可自由调节组合结构堆叠层数和每层放置竹节状薄壁管分结构的个数，并改变竹节状薄壁管组合结构的摆放方向，既具有较高的灵活性，又能改善材料的利用率。

Description

一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***
技术领域
本发明涉及抗冲击吸能***的技术领域，特别涉及一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，该吸能***适用于道路交通的抗撞击减震防护，航天器回收、空投物品的冲击吸能防护，或国防军事的抗***冲击防护等抗冲击吸能领域。
背景技术
随着经济进步和科技发展，飞机、高铁、车辆等交通运载工具都朝着轻量化、快速化的方向发展，极大地便利了人民生活的同时，也增大了碰撞、冲击、***等事故的风险和危害。交通运载工具的冲击事故成为了威胁人民生命财产安全的重大问题。因此如何根据道路交通冲击事故的特征，提出合理的抗冲击吸能结构的设计方案及制定固定的或临时安装的有效防护措施，成为了道路交通安全防护中的重要课题之一。
薄壁结构因其易加工、成本低廉、比力学性能高的特点在抗冲击吸能领域得到了广泛的研究和应用，其中金属薄壁圆管结构以变形稳定、比能耗高、初始冲击力小、取材方便等优势，具有良好的经济效益和工程效益，因此现有设计的抗冲击吸能***多采用多排圆管组装而成。
然而，在无管间连接和边界约束的情况下，圆管***容易在冲击载荷作用下产生横向飞溅，这不仅降低了吸能效率，并有可能引起二次伤害。工程中通常采用将圆管之间以焊接或螺栓固定，或在圆管***外部边界安装固定挡板的办法来克服这一缺陷，但这两种方法都不同程度上增加了安装的时间成本和人力物力成本，降低了圆管***应对突发冲击事故的及时响应能力，尤其在紧急抢险等情况下并不理想。为了弥补圆管***的不足，此前有一种哑铃状薄壁管自锁结构被提出，这套***可通过哑铃状薄壁管交错排列而成，无需外部安装约束装置或内部加工连接装置，但该***只能应对空间特定单一方向冲击而保持自锁。
考虑到冲击事故方向的不确定性，设计出一种可应对空间多个方向冲击、吸能高效、便于拆装的能量吸能***，使其能根据抗冲击需求快速高效地搭建起抗冲击的防护***，对于提高材料利用率、增加应对突发抗冲击事故的能力、降低生命财产损失有着重要的价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，该吸能***为易于拆装、经济实用的能量吸能***，为冲击碰撞***的防护提供更为方便、快捷、经济、安全的保障。
本发明采用的技术方案为：一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，其特征在于：竹节状薄壁管分结构沿轴向的横截面为尺寸周期性变化的圆，若干个竹节状薄壁管分结构横纵交错堆叠组成多排多列组合结构，使相邻两排竹节状管分结构节间在冲击过程彼此压缩啮合达到自锁的效果；
所述的薄壁管分结构的横截面沿轴向的横截面为尺寸周期性变化的圆，且最大圆形截面外径D与最小圆形截面外径d满足d＜D≤2d；
所述的薄壁管分结构轴向单元长度l，最大圆形截面外径D和最小圆形截面外径d满足
所述的薄壁管分结构的轴向总长度L、轴向单元长度l和单元数N满足L＝Nl；
进一步的，竹节状薄壁管分结构之间的横纵交错堆叠无需在外部安装约束装置或在内部加工连接装置，即可排列组成吸能***。
进一步的，薄壁管分结构中最小圆形截面外径d与薄壁管厚度t满足d/t＞10，经过轴线的剖面外轮廓所包含圆弧的半径a满足D＞2a。
本发明的原理在于：
一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，整体为金属材料制成的多个竹节状薄壁管横纵交错堆叠而成的组合结构。每个竹节状薄壁管分结构沿轴向的横截面为尺寸周期性变化的圆，经过轴线的剖面外轮廓由若干圆心角为α或2α、半径为a的圆弧及过渡切线构成，组合结构由若干个竹节状薄壁管横纵交错堆叠组成，竹节状薄壁管的形状比例使相邻两排竹节状管分结构节间在冲击过程彼此压缩啮合达到自锁的效果。组合结构堆叠层数和每层放置竹节状薄壁管分结构的个数、以及竹节状薄壁管组合结构的摆放方向可根据冲击物能量和场地实际空间灵活调节。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，可承受空间多个方向冲击实现自锁定，仅应对特定单一方向(顶层竹节管恰好水平侧向承载)冲击时自锁性较差，可通过增加或减少竹节状薄壁管结构层数、或改变***摆放方向使顶层竹节状薄壁管分结构承受轴向载荷来防止飞溅，即无需在垂直冲击方向施加外部约束装置或在内部加工连接装置，从而有较强的经济性和应急性。
2、本发明一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，该结构易于拆卸和安装，组装过程中竹节状薄壁管节间横纵交错、互相卡扣，各个分结构之间无需定位装置，安装无技术难度，耗时少，可满足紧急情况抗冲击需求。
3、本发明一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，由多个仿竹节薄壁管分结构组成，可根据冲击能量大小及场地等实际情况要求，调整仿竹节薄壁管结构的受冲击方向，增减仿竹节薄壁管分结构的个数，随时调整多向自锁吸能***的规模，具有很好的灵活性和可调节性。
附图说明
图1为本发明所涉及的组合结构示意图。
图2为本发明所涉及的单个仿竹节薄壁管分结构示意图。
图3为本发明所涉及的单个仿竹节薄壁管分结构经过轴线的剖面示意图。
图4为本发明所涉及的实施例1数值模拟中组合结构承受纵向冲击前的示意图。
图5为本发明所涉及的实施例1数值模拟中组合结构承受纵向冲击后的示意图。
图6为本发明所涉及的实施例1数值模拟中组合结构纵向承载能量位移曲线的示意图。
图7为本发明所涉及的实施例2数值模拟中组合结构承受侧向冲击前的示意图。
图8为本发明所涉及的实施例2数值模拟中组合结构承受侧向冲击后的示意图。
图9为本发明所涉及的实施例2数值模拟中组合结构侧向承载能量位移曲线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种仿竹节薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，如图1所示，整体为金属材料制成的多个仿竹节薄壁管横纵交错堆叠而成的组合结构；
所述仿竹节薄壁管为组合结构中的单个分结构，所有同排相邻薄壁管在同一水平面上，朝同一方向排列，相邻两层仿竹节薄壁管横纵交错，相邻排与排间竹节管均摆放方向相互垂直且彼此相切。
为达到预期的自锁效果，尺寸可根据需要在比例范围内自由选定，应满足薄壁管分结构中圆管的直径D与薄壁管厚度t满足D/t>10,最大圆形截面外径D与最小圆形截面外径d满足d＜D≤2d,轴向单元长度l，最大圆形截面外径D和最小圆形截面外径d满足轴向总长度L、轴向单元长度l和单元数N满足L＝Nl；
实施例1：一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***纵向承载情况分析
通过仿真模拟计算冲击物时速v＝72km/h＝20m/s，冲击物质量为m＝133kg时需要安装的相应的仿竹节薄壁管多向自锁吸能***的吸能效果。选定的组合结构由72个仿竹节薄壁管分结构交错堆叠成12排。单个分结构参数如下：最大圆形截面外径D＝20mm，最小圆形截面外径d＝10mm，截面尺寸变化的周期数N＝6，厚度T＝0.5mm，轴向长度L＝124.8mm，经过轴线的剖面外轮廓包含小圆弧的圆心角α＝45o。采用ABAQUS/Explicit进行动态模拟。
纵向冲击能量E＝mv2/2＝2.66×104J。根据数值模拟得到力-位移曲线，积分可得到组合结构所吸收的能量，可参照图6组合结构纵向承载能量位移曲线，得知组合结构纵向承载和吸收最大能量为Emax＝2.66×104J，吸收了全部冲击能量。如果采用传统圆管，在同样的边界条件约束下，圆管直接被冲散，吸收能量的能力非常小，可忽略不计。
实施例2：一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***侧向承载情况分析
通过仿真模拟计算冲击物时速v＝72km/h＝20m/s，冲击物质量为m＝133kg时需要安装的相应的仿竹节薄壁管多向自锁吸能***的吸能效果。选定的组合结构由72个仿竹节薄壁管分结构交错堆叠成12排。单个分结构参数如下：最大圆形截面外径D＝20mm，最小圆形截面外径d＝10mm，截面尺寸变化的周期数N＝6，厚度T＝0.5mm，轴向长度L＝124.8mm，经过轴线的剖面外轮廓包含小圆弧的圆心角α＝45o。采用ABAQUS/Explicit进行动态模拟。
侧向冲击能量E＝mv2/2＝2.66×104J。根据数值模拟得到力-位移曲线，积分可得到组合结构所吸收的能量，可参照图9组合结构侧向承载能量位移曲线，得知组合结构侧向承载和吸收最大能量为Emax＝2.66×104J，吸收了全部冲击能量。如果采用传统圆管，在同样的边界条件约束下，圆管直接被冲散，吸收能量的能力非常小，可忽略不计。
多向自锁吸能***吸收能量的能力主要由几何结构和几何尺寸决定，在保持截面尺寸周期性变化的情况下，在本发明规定的比例范围内，可适当调节结构尺寸，不改变自锁吸能***的自锁效果。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，其特征在于：竹节状薄壁管分结构沿轴向的横截面为尺寸周期性变化的圆，经过轴线的剖面外轮廓由若干圆心角为α或2α、半径为a的圆弧及过渡切线构成。若干个竹节状薄壁管分结构交错堆叠成多层组合结构，使组合结构在冲击过程中达到自锁的效果；
所述的薄壁管分结构横截面沿轴向的横截面为尺寸周期性变化的圆，且最大圆形截面外径D与最小圆形截面外径d满足d＜D≤2d；
所述的薄壁管分结构轴向单元长度l与最大圆形截面外径D满足
所述的薄壁管分结构的轴向总长度L、轴向单元长度l和单元数N满足L＝Nl。
2.根据权利要求1所述的一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，其特征在于：竹节状薄壁管分结构之间的交错排列无需在外部安装约束装置或在内部加工连接装置，即可随机性排列组成吸能***。
3.根据权利要求1所述的一种竹节状薄壁管结构易组装多向自锁吸能***，其特征在于：薄壁管分结构中最小圆形截面外径d与薄壁管厚度t满足d/t＞10，经过轴线的剖面外轮廓所包含圆弧的半径a满足D＞2a。
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