CN102700618A - 一种横隔板加强的薄壁能量吸收管 - Google Patents

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唐智亮
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Abstract

一种横隔板加强的薄壁能量吸收管，属于包括汽车碰撞等在内的安全技术领域，尤其涉及一种截面非凸的薄壁能量吸收管的构造。该薄壁能量吸收管适用于各类爆炸及冲击能量吸收结构。包括外层管壁及内部按一定间距排列的起加强作用的横隔板。该结构可以有效抑制薄壁管的非紧凑变形模式，从而使得薄壁结构在轴向冲击压缩下产生渐进稳定变形模式，显著提高能量吸收，是一种轻质高效率能量吸收结构。本发明所述的横隔板加强的薄壁管适用于从普通包装材料到汽车吸能结构，甚至到航天器着陆缓冲能量吸收的广泛领域。

Description

一种横隔板加强的薄壁能量吸收管
技术领域
本发明涉及一种横隔板加强的薄壁能量吸收管，属于包括汽车碰撞等在内的安全技术领域，尤其涉及一种截面非凸的薄壁能量吸收管的构造。
背景技术
能量吸收装置对保障运载器内物品及乘员在发生碰撞事故时的安全性至关重要。薄壁结构是一种具有高能量吸收和低成本的能量吸收器，广泛应用于吸收运载器发生碰撞事故时的动能。
在能量吸收效率一定的情况下，消耗较多的冲击动能需要的能量吸收结构质量也较大。运载器通常都是高能耗设备，结构轻量化是减少燃油消耗和废气排放的最有效途径之一。合理的结构构型设计是提高结构能量吸收效率，减轻结构质量的有效途径。
非凸截面薄壁管是一类具有高能量吸收性能的薄壁能量吸收结构。但是在壁厚与截面周长比较大时，容易产生膨胀-收缩非紧凑变形模式，大幅降低能量吸收能力。
研究表明，非凸薄壁管轴向压缩产生膨胀-收缩非紧凑变形模式的原因是管在横截面内的约束较弱，不足以约束管壁过大的出平面运动。为抑制这种非紧凑变形模式，必须增加管在横截面内的约束。
竹子是一类具有很大长细比的中空带横隔壁加强的结构，具有良好的承载能力和稳定性。竹的横隔壁对于竹结构具有重要的加强作用，可使得竹筒的横向承载能力提高3倍。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明涉及一种横隔板加强的薄壁能量吸收管。该薄壁能量吸收管应采用类似竹横隔壁的横向隔板，可以有效抑制非凸薄壁管的膨胀-收缩非紧凑变形模式及薄壁方管的非紧凑变形模式，使得薄壁管产生渐进稳定的变形模式，从而大幅度提高管的能量吸收。
 
本发明所采用的技术方案是：一种横隔板加强的薄壁能量吸收管包括一个薄壁管，所述薄壁管内至少设有一个横隔板，横隔板垂直于薄壁管的管壁，并与薄壁管的管壁成固定连接。
所述薄壁管的截面形状采用圆形、正多边形或非凸多边形。
所述横隔板采用平面板或者曲面板。
所述横隔板采用等厚度板或者变厚度板。
所述薄壁管和横隔板采用金属材料或者包括纤维增强复合材料在内的非金属材料。
所述薄壁管和横隔板之间的连接，采用粘结剂连接、注塑一次成型或者用织造方法成型。
采用上述技术方案的指导思想是：由于轻量化要求，传统的方管和多边形管在能量吸收效率方面不能同时满足尽可能多折角和折角周围夹角在90-120度之间的最优范围，其能量吸收效率受到限制。非凸薄壁管突破了这种局限，大幅度提高了能量吸收。
本发明的有益效果是：这种横隔板加强的薄壁能量吸收管在薄壁管内设有横隔板，横隔板垂直于薄壁管的管壁，并与薄壁管的管壁成固定连接。该结构满足了高能量吸收的特点，又能抑制薄壁管非紧凑变形模式。外部管壁是能量吸收的主要结构，内部横隔板起支撑和稳定外部薄壁管的作用，其布置的数目和间距由外部管的稳定条件确定。外部管壁和内部横隔板通过有效途径连接成整体，共同作用吸收能量。在受到轴向冲击载荷时，具有比传统方管和圆管更高的能量吸收性能，和良好的变形稳定性。能够在保持较轻的结构重量时，给运载器提供更好的能量吸收性能。
附图说明
图1是非凸二十边横隔板加强的薄壁能量吸收管的立体结构图。
图2是非凸二十边横隔板加强的薄壁能量吸收管的正视图。
图3是非凸二十边横隔板加强的薄壁能量吸收管的横隔板图。
图4是正方形横隔板加强的薄壁能量吸收管的横隔板图。
图5是正六边形横隔板加强的薄壁能量吸收管的横隔板图。
图6是圆形横隔板加强的薄壁能量吸收管的横隔板图。
图7是非凸十二边横隔板加强的薄壁能量吸收管的横隔板图。  
图8是非凸薄壁管非紧凑变形图。
图9是横隔板加强的非凸薄壁管渐进变形图。
图10是非凸薄壁管及横隔板加强非凸薄壁管冲击力计算结果。
图11是外部管壁能量吸收—位移曲线图。
图12是内部横隔板能量吸收—位移曲线图。
图中：1、非凸二十边薄壁管，2、非凸二十边横隔板，3、正方形横隔板，4、正六边形横隔板，5、圆形横隔板，6、非凸十二边横隔板。
 具体实施方式
本发明提出一种新型薄壁能量吸收结构，能够满足吸能结构要求，降低结构质量，下面结合附图来说明该结构的实施例。
图1、2、3示出了非凸二十边横隔板加强的薄壁能量吸收管的结构图。
该横隔板加强的薄壁能量吸收管由非凸二十边薄壁管1和多个非凸二十边横隔板2组成，非凸二十边薄壁管1和多个非凸二十边横隔板2紧密连接构成一个整体。
在上述的实施例中，不同的材料其制造方法可以完全不同，如用塑料，可用模具采用整体注塑法成型；如采用纤维材料，可采用织造法成型；如用金属材料，可用粘结方法或焊接方法成型。
本发明所述横隔板加强的薄壁能量吸收管不限于非凸二十边形横隔板2，这种管的横截面也可以是多边形、圆形及其他非凸截面。图4、5、6、7分别示出了正方形、正六边形、圆形、非凸十二边形横隔板加强的薄壁能量吸收管的横隔板图。横隔板的形状与管的横截面内部形状相适应，横隔板的数目为多个。
以横截面边长为80mm，管长为200mm，壁厚为3mm的外形为非凸二十边形的铝合金管为例，在一端固定，另一端受10m/s的刚性板轴向冲击压缩，无横隔板加强的管产生碰撞—收缩非紧凑变形，如图8所示。这种变形模式的特点是首先结构在某一横截面附近整体产生向外的膨胀，然后接下来，在下面的某一截面附近整体产生收缩。由于折叠的波长较长因此，是一种非紧凑的变形模式，并且这种变形模式由于截面收缩较明显，容易转变为整体的欧拉失稳变形模式。有5个横隔板均匀分布加强的非凸二十边形管从上往下一共被均分成六段，在轴向压缩时产生渐进稳定变形，如图9所示。这种变形模式首先从上端冲击端被压溃，然后在往下第三段被压溃，依次间隔一段，直到第五段被压溃，然后最下面固定所在的第六段被压溃。接着是往上第四段压溃，最后是第二段被压溃。这种变形是渐进稳定的，因此能保持很高的能量吸收效率。
非凸二十边形管和横隔板加强非凸二十边形管的轴向压溃冲击力曲线如图10所示，其中实线表示非凸二十边形管冲击力曲线，虚线表示横隔板加强非凸二十边形管冲击力曲线。非凸二十边形管由于管的横截面整体膨胀，壁面屈曲，冲击力曲线在第一个峰值后急剧下降，能量吸收效率较低，而横隔板加强非凸二十边形管由于变形是渐进稳定的，其冲击力一直保持在很高的水平，能量吸收效率很高。后者能量吸收比前者提高133%，比能量吸收（单位质量的能量吸收）提高85%。
外部管壁和内部横隔板在能量吸收中的作用是很不一样的，外部管壁是主要的能量吸收结构，在所研究的示例中，外部管壁吸收了22.50kJ的能量，占整个管的能量吸收的99%以上，如图11所示。而内部横隔板的主要作用是增加管的横截面面内刚度，抑制管的横向变形导致的膨胀-收缩非紧凑变形模式。其本身吸收的能量很少，在所研究的示例中仅吸收了0.199kJ的能量，还不到管的总能量吸收的1%，基本可以忽略，如图12所示。

Claims (6)

1.一种横隔板加强的薄壁能量吸收管，包括一个薄壁管，其特征在于：所述薄壁管内至少设有一个横隔板，横隔板垂直于薄壁管的管壁，并与薄壁管的管壁成固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种横隔板加强的薄壁能量吸收管，其特征在于：所述薄壁管的截面形状采用圆形、正多边形或非凸多边形。
3.根据权利要求1所述的一种横隔板加强的薄壁能量吸收管，其特征在于：所述横隔板采用平面板或者曲面板。
4.根据权利要求1或3所述的一种横隔板加强的薄壁能量吸收管，其特征在于：所述横隔板采用等厚度板或者变厚度板。
5.根据权利要求1所述的一种横隔板加强的薄壁能量吸收管，其特征在于：所述薄壁管和横隔板采用金属材料或者包括纤维增强复合材料在内的非金属材料。
6.根据权利要求1所述的一种横隔板加强的薄壁能量吸收管，其特征在于：所述薄壁管和横隔板之间的连接，采用粘结剂连接、注塑一次成型或者用织造方法成型。
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