CN102673501B - 一种薄壁吸能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车辆被动撞击时的薄壁吸能装置，属于车辆碰撞冲力的阻尼配件技术领域。吸能装置包括相互连接的结构与尺寸均相同的吸能单元，吸能单元的内表面为正n边形，每一条边构成吸能单元的一个吸能体，吸能体的外表面为金字塔型波纹结构。当吸能装置为正11边形薄壁圆筒，吸能单元的高度h为70.38mm，吸能单元内表面外切圆半径为40.16mm时，吸能装置的吸能效果达到最佳。吸能装置能够同时满足高比吸能率和低载荷均匀性系数的要求，提高交通工具中广泛应用的薄壁吸能结构在发生被动碰撞时的变形可控制性和吸收冲击动能的性能，从而改善交通工具的被动安全性性能。
Description
技术领域
本发明属于车辆碰撞冲力的阻尼配件技术领域，具体涉及车辆被动撞击时的一种薄壁吸能装置。
背景技术
交通工具在碰撞事故中的抗撞性是被动安全性分析中的一个关键环节，金属薄壁结构因具有良好的抗撞吸能特性，被广泛地应用到汽车、船舶、航天等各个领域。目前的汽车、船舶、飞机等行业中的抗撞吸能结构设计中，一般采用光滑表面的金属薄壁圆截面筒或方截面筒。
金属薄壁吸能构件主要是通过塑性变形来耗散激烈碰撞产生的冲击动能，实际碰撞事故中，往往有多种破坏模式或者多种变形模式混杂在一起，例如，飞机和汽车的薄壁结构在撞击载荷作用下发生破坏，可能同时发生塑性扭转、塑性弯曲、塑性屈曲、生成裂纹、裂纹扩展、断裂和被穿透，不同的部位可能发生不同的破坏模式，每次撞击部位不同，载荷不同，发生的破坏形式和程度大相径庭，具有不可预测和不易控制的特征。
理想的碰撞吸能盒需要满足如下条件：
高比吸能率，即碰撞吸能盒所吸收的最大能力与其自身重量的比值要高；
低载荷均匀性系数，即碰撞吸能盒在受撞击过程中传递给车厢结构的最大载荷与整个变形过程中传递的平均载荷的比值要低；
稳定性高，优良的抗撞结构应当以稳定的破坏模式和可控的方式通过结构本身的塑形变形，尽可能地将碰撞动能不可逆地转换为抗撞结构的变形势能，从而达到吸收动能，降低冲击速度，增大被动安全性。
传统上，由钢或铝合金加工成的薄壁方管或圆管被广泛用作碰撞吸能盒，这种吸能盒的主要问题在于它们的初始屈服载荷远远高于其屈服后的承载力，即在受到撞击过程中，它们会把一个很大的初始峰值载荷传递给汽车纵梁，从而对纵梁造成永久性损害。方管的比吸能率较其他截面形式的低，而圆管的加工和安装较为不便，传统的吸能结构尚未达到较好的效果。
为了提高碰撞吸能盒的比吸能率，对碰撞吸能盒的截面形式做了诸多形式的改进。专利号为EP1923273(A1)，发明名称为“Impact Absorption Member for Vehicle”的发明专利，吸能盒的截面如图1所示。弯曲的截面可以保证稳定的破坏模式和可控的塑性变形，专利同样存在初始屈服载荷过大的问题。
又如申请号为CN200910013553.X，发明名称为“一种折痕式碰撞吸能盒”的发明专利，引入折痕纹路的薄壁管件作为碰撞吸能盒，通过该折痕纹路引导碰撞变形段的最终变形模式。其技术方案为：在一个薄壁管沿轴向分为若干模块，在每一个模块的每个角部区域，分别沿轴向每间隔一定距离有一个钻石型凹角。从而形成有折痕纹路的薄壁管件。
比吸能率和载荷均匀性系数是两个此消彼长的参数，寻求两参数的平衡点以达到吸能盒最优化性能，是吸能盒设计的终极目标。
发明内容
本发明目的在于提供一种薄壁吸能装置，同时满足高比吸能率和低载荷均匀性系数的要求，吸能装置可以提高交通工具中广泛应用的薄壁吸能结构在发生被动碰撞时的变形可控制性和吸收冲击动能的性能，从而改善交通工具的被动安全性能。
为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：
一种薄壁吸能装置，所述吸能装置为薄壁管结构，所述吸能装置包括多个结构和尺寸相同的筒体结构吸能单元，吸能装置由吸能单元沿筒体中心轴线方向串联而成，其改进之处在于所述吸能单元的内表面为正n边形柱体，每一个棱柱面构成吸能单元的一个吸能体，所述吸能体的外表面为金字塔型波纹结构；
所述吸能体为向外侧凸起的金字塔结构，所述吸能体底面平行于所述薄壁管中心轴，所述吸能体顶点A向底面的投影点与底面的中心点重合，两相邻吸能体底面的夹角为所述吸能单元高度处垂直于薄壁管中心轴的横截面，内横截面为边长为a的正n边形，所述内横截面内接于半径为r的圆；外横截面为边长为b的正n边形，所述外横截面外切于半径为r的圆；
本发明的另一优选技术方案为：所述吸能装置为薄壁圆管结构。
本发明的再一优选技术方案为：所述吸能单元沿薄壁管中心轴方向的高度为h。
本发明的又一优选技术方案为：所述吸能单元的内表面为正11边形柱体，所述吸能单元的高度h为70.38±2mm，所述吸能单元内表面的外切圆柱半径r为40.16±1mm。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1)破坏模式稳定、安全性提高
抗撞吸能结构的吸能性能和降低撞击力的性能主要受结构的破坏模式和变形溃缩过程影响，相对传统的光滑表面的圆柱壳，本发明通过规则的金字塔型波纹获得稳定的金刚石破坏模式以及轴向溃缩变形，避免吸能效率很低的整体欧拉失稳，因此本发明的金字塔型波纹结构破坏模式更稳定，变形可控性好，吸收耗散动能更多，显著提高了结构的被动安全性；
2)高比吸能率和低载荷均匀性系数
本发明吸能装置的多边形结构能获得稳定的破坏模式，峰值冲击力降低且吸能性能更好，整体结构被动安全性更高；
3)装置形状规则，便于加工
吸能装置为规则的多边形圆管，圆管外表面为规则的金字塔型波纹，装置便于加工；
4)制造成本低
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是现有技术中碰撞吸能盒结构示意图；
图2是具有金字塔型波纹的圆形薄壁抗撞吸能结构主视图；
图3是具有金字塔型波纹的圆形薄壁抗撞吸能结构左视图；
图4是具有金字塔型波纹的圆形薄壁抗撞吸能结构产生轴向溃缩示意图；
图5是具有金字塔型波纹的方形薄壁抗撞吸能结构主视图；
图6是具有金字塔型波纹的方形薄壁抗撞吸能结构左截面；
图7是具有金字塔型波纹的方形薄壁抗撞吸能结构产生轴向溃缩示意图；
图8是波纹结构示意图；
图9是光滑圆截面吸能结构产生轴向溃缩示意图；
附图标记：
r-吸能单元内表面外切圆半径，h-吸能单元沿薄壁筒中心轴向高度，n-吸能单元正多边形内表面的边数，a-吸能单元正多边形内表面边长，b-吸能单元高度处垂直于薄壁管中心轴的横截面边长。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
本发明的具有规则金字塔型波纹的薄壁圆筒，其主视图如图2所示，左视图如图3所示，薄壁圆管的外表面沿薄壁圆筒的轴向以一定间距h为一个吸能单元，每个吸能单元的结构和尺寸均相同。
薄壁圆筒的吸能单元具体结构示意图如图8所示，可描述如下：
吸能单元是以OO1为轴的n边形筒体结构，n为大于等于3的自然数，当n等于11时筒体结构的左视图如图3所示。筒体的内横截面和吸能单元二分之一高度处外横截面同为边数为n的同圆心正多边形，内横截面多边形内接于半径为r的圆，吸能单元二分之一高度处外横截面外切于半径为r的圆，外切多边形边长b大于内接多边形边长a。
吸能单元的波纹结构如图8所示，沿薄壁圆筒的轴向方向，吸能单元的高度为h，吸能单元的内表面是内接于半径为r的圆柱体的多边形柱体。内表面的每一个棱柱面构成吸能单元的一个吸能体，即图8中以A为顶点的金字塔型结构，其中金字塔顶点A点到薄壁圆筒中心轴OO1的距离为r，金字塔底面为四边形，且底面平行于中心轴OO1，金字塔顶点A点向底面的投影点与底面的中心点重合。金字塔结构包括4个棱锥面，相对的两个棱锥面尺寸相等。
具有金字塔型波纹结构的薄壁圆筒在受到沿中心轴向的外界载荷冲击后，产生轴线溃缩的示意图如图4所示。与光滑圆截面吸能结构受到沿中心轴向冲击载荷后，产生轴向溃缩的情况(如图9所示)相比，本发明的结构在冲击载荷作用下，在金字塔型波纹的引导下发生图4所示的很规则的变形，且变形分布很均匀，普通圆管则是先在局部发生屈服，冲击过程的后期变形不稳定。本发明的结构与普通圆管相比，金字塔型波纹引导轴向冲击载荷作用下的薄壁管发生规则的金刚石破坏模式，变形规则可预测，大大降低冲击力的峰值，并且吸能效率更高，显著提高了结构的被动安全性能。
如图5和图6所示为具有类似波纹结构的薄壁方管吸能结构的主视图和左视图。如图所示，薄壁方管的内表面为正方形，外表面为图8所示的金字塔型波纹结构。同薄壁圆管相似，薄壁方管的外表面沿薄壁方筒的轴向以一定间距h为一个吸能单元，每个吸能单元的结构和尺寸均相同。
如图5和6所示，吸能单元包含4个棱柱面，每个棱柱面的外表面布置3个结构和大小均相同的金字塔型波纹结构，金字塔型波纹的数量可根据吸能单元内表面的圆周长度调整，调整准则以薄壁圆管为依据。金字塔型波纹的尺寸为：垂直于薄壁方管的中心轴线的圆周方向，确定波纹的数量；以薄壁圆管的圆周方向含相同数量的波纹为依据，制定相同尺寸的金字塔型波纹。
本发明采用的具有金字塔型波纹的正多边形截面薄筒，经过最优化设计，最优参数n*为11，即吸能结构的内截面为正十一边形，h*为70.38mm，r*为40.16mm。从研究结果看，在材料规格相同，用量相等的前提下，金字塔型波纹吸能结构吸收能量26378.38J，光滑圆截面吸能结构的吸收能量为18314J，具有波纹结构的吸能装置多吸收44.03％的能量。
对具有金字塔型波纹结构的薄壁吸能结构(包括薄壁圆筒和薄壁方筒)进行综合吸能测试，以光滑圆截面和光滑方截面吸能结构作为平行试验。每组平行试验时，四种结构的材料规格相同，用量相同，总质量均为500kG，冲击速度均为50km/h。吸能试验结果如表1所示：表1不同结构的试验结果对比
因此本发明的具有金字塔型波纹的抗撞吸能结构吸能性能更好，被动安全性更优。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (4)
1.一种薄壁吸能装置，所述吸能装置为薄壁管结构，所述吸能装置包括多个结构和尺寸相同的筒体结构吸能单元，吸能装置由吸能单元沿筒体中心轴线方向串联而成，其特征在于所述吸能单元的内表面为正n边形柱体，每一个棱柱面构成吸能单元的一个吸能体，所述吸能体的外表面为金字塔型波纹结构；
所述吸能体为向外侧凸起的金字塔结构，所述吸能体底面平行于所述薄壁管中心轴，所述吸能体顶点A向底面的投影点与底面的中心点重合，两相邻吸能体底面的夹角为 所述吸能单元 高度处垂直于薄壁管中心轴的横截面，内横截面为边长为a的正n边形，所述内横截面内接于半径为r的圆；外横截面为边长为b的正n边形，所述外横截面外切于半径为r的圆。
2.如权利要求1所述的一种薄壁吸能装置，其特征在于所述吸能装置为薄壁圆管结构。
3.如权利要求1所述的一种薄壁吸能装置，其特征在于所述吸能单元沿薄壁管中心轴方向的高度为h。
4.如权利要求1所述的一种薄壁吸能装置，其特征在于所述吸能单元的内表面为正11边形柱体，所述吸能单元的高度h为70.38±2mm，所述吸能单元内表面的外切圆柱半径r为40.16±1mm。
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