CN102829119B - 一种级联式载荷缓冲吸能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种级联式载荷缓冲吸能装置，包括沿载荷方向依次级联式设置至少两个缓冲单元，任一缓冲单元包括至少一个金属管，且相邻缓冲单元金属管的数量不同时为1，任一缓冲单元的多个金属管长度相同且轴向均与载荷方向平行，相邻缓冲单元的金属管相互交错放置且端面接触。本发明解决了现有薄壁金属管缓冲装置存在缓冲行程利用率较低、缓冲吸能效率低的技术问题，具有缓冲行程利用率高、缓冲吸能效率高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种载荷缓冲吸能装置，特别是一种薄壁金属管结构的载荷缓冲吸能装置。
背景技术
薄壁金属管（也称为柱状金属薄壁结构）结构稳定，其变形破坏模式稳定、能量吸收可控，因此作为缓冲吸能结构被广泛应用于与碰撞安全密切相关的领域，如车辆、航天器以及工程防护等。
2003年第27卷的《南京理工大学学报》“薄壁圆柱壳轴向动力屈曲的实验研究”中公开了一种薄壁金属管的缓冲装置，利用薄壁金属管在轴向屈曲过程中的折叠变形来达到吸能的目的，这种方案在应用中存在着以下问题：一、变形模式会受到金属管的径厚比和长径比等因素的影响，如长径比过大的金属管就会发生欧拉屈曲达不到缓冲的目的；二、在缓冲后期金属管屈曲后叠加在一起，行程利用率不高，即吸能元件有效变形长度与初始长度之比不高，不利于缓冲吸能；三、薄壁金属管轴向屈曲时，载荷波动较大，缓冲力不平稳，载荷效率即平均载荷/峰值载荷的比值通常较低。
2009年中国发明专利ZL200910064833.9公开了一种锥环、胀环和多孔缓冲材料组合在一起的组合式缓冲器，利用各个子缓冲器的冲击曲线错位叠加，改善单一缓冲器存在的载荷波动大等缺点，有效改善了缓冲平稳特性，但是存在着结构复杂，制造成本高，且多个子缓冲器缓冲效果难以精确匹配，此外该缓冲器仍存在缓冲行程利用率较低等问题。
发明内容
为了解决现有薄壁金属管缓冲装置存在缓冲行程利用率较低、缓冲吸能效率低的技术问题，本发明提供一种级联式载荷缓冲吸能装置，用于冲击或撞击试验的级联式缓冲吸能装置，具有缓冲行程利用率高、缓冲吸能效率高等特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种级联式载荷缓冲吸能装置，其特殊之处在于：包括沿载荷方向依次级联式设置至少两个缓冲单元，
任一缓冲单元包括至少一个金属管，且相邻缓冲单元金属管的数量不同时为1；
任一缓冲单元的多个金属管长度相同且轴向均与载荷方向平行；相邻缓冲单元的金属管相互交错放置且端面接触；
任一缓冲单元的金属管由塑性材料制成；
各级缓冲单元的金属管的轴向刚度以及材料屈服强度均不相同，每一级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度均大于或者小于相邻级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度。
上述缓冲吸能装置包括沿载荷方向依次级联式设置的两个缓冲单元。
上述缓冲吸能装置包括沿载荷方向依次级联式交替设置的三个缓冲单元。
上述任一缓冲单元的金属管为多边形管或圆管。
上述任一缓冲单元的金属管的材料为为铝、钢或铜。
上述任一后一级缓冲单元的相邻金属管之间的间隙大于该相邻金属管管径之和的八分之一。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明采用多个缓冲单元，且缓冲单元之间切割缓冲以及缓冲单元折叠屈曲的级联缓冲方法，有效提高了缓冲行程利用率和缓冲吸能效率。
2、本发明缓冲前期采用多级缓冲单元切割缓冲吸能的方法，有效减小了载荷随位移的波动，且峰值载荷和平均载荷相近，提高了载荷效率。
3、本发明通过改变金属管数量、金属管材料、金属管横截面形状等参数，可以有效改变缓冲装置的平均载荷、能量吸收量、行程利用率等指标，扩展了缓冲装置的应用范围。
附图说明
图1为本发明级联式载荷缓冲吸能装置示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为本发明载荷随位移变化曲线示意图；
图4为本发明级另一种级联式载荷缓冲吸能装置示意图；
图5为图4的俯视图；
其中附图标记为：1-载荷；2-前一级缓冲单元；3-后一级缓冲单元。
具体实施方式
如图1和图2所示，沿载荷方向设置有前一级冲单元和后一级冲单元，前一级缓冲单元和后一级缓冲单元没有前后之分；每个缓冲单元都包括至少一个金属管且两个缓冲单元的金属管的数量不能同时为1；每个缓冲单元的金属管均可采用多边形管或圆管，每个缓冲单元的金属管轴向均与载荷方向平行；前一级缓冲单元的多个金属管长度相同，后一级缓冲单元的多个金属管长度相同；前一级缓冲单元的金属管和后一级缓冲单元的金属管相互交错放置且端面接触；后一级缓冲单元的任意相邻金属管之间设置有间隙。
每个缓冲单元的金属管均由钢、铝、铜等塑性材料制成，所有缓冲单元的金属管的轴向刚度以及材料屈服强度均不相同，每一级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度均大于或者小于相邻级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度，同一级缓冲单元的金属管的轴向刚度以及材料屈服强度均相等，（两处相邻级是指沿载荷方向区分，或者同时与载荷方向同向，或者同时与载荷方向相反）这样可防止载荷加载前一级阶段时，金属管自身弯曲变形，导致切割不均匀甚至无法完成切割过程，同时可保证顺利切割。例如：后一级缓冲单元3的轴向刚度大于前一级缓冲单元2的轴向刚度，同时后一级缓冲单元3的材料屈服强度大于前一级缓冲单元2的材料屈服强度；或者后一级缓冲单元3的轴向刚度小于前一级缓冲单元2的轴向刚度，同时后一级缓冲单元3的材料屈服强度小于前一级缓冲单元2的材料屈服强度；
在上述材料性能前提下，在载荷加载的前一级阶段，无论二者的壁厚如何，相邻级别的缓冲单元中有一级缓冲单元在剪切作用下均发生断裂破坏，例如：后一级缓冲单元3被载荷沿轴向逐步压入前一级缓冲单元2，前一级缓冲单元1被后一级缓冲单元3切割后其破损部分从后一级缓冲单元3的金属管之间的间隙或边缘处挤出，实现对载荷的持续缓冲；载荷加载的后一级阶段，后一级缓冲单元3发生折叠屈曲，进一步缓冲吸能。
在前一级阶段切割缓冲吸能过程中，由于不存在金属管的折叠屈曲，有效减小了载荷随位移的波动，且峰值载荷和平均载荷相近，提高了载荷效率。后一级阶段为当前一级缓冲单元2切割破坏结束后，后一级缓冲单元3发生轴向折叠屈曲，从而达到进一步吸能的目的，有效提高了缓冲行程利用率和缓冲吸能效率。
为了确保前一级缓冲单元2被切割破坏后，后一级缓冲单元3能够顺利发生轴向折叠屈曲，后一级缓冲单元3的任意相邻金属管之间在径向方向留有一定间隙，优选该间隙大于该两个相邻金属管管径之和的八分之一。
图4和图5为三个缓冲单元构成的级联式载荷缓冲吸能的结构示意图。沿载荷方向依次设置有前一级缓冲单元、后一级缓冲单元以及第三缓冲单元，前一级缓冲单元、后一级缓冲单元以及第三缓冲单元的金属管的轴向刚度、材料屈服强度均不相同。每一级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度均大于或者小于相邻级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度。例如：前一级缓冲单元的金属的轴向刚度和材料屈服强度均大于后一级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度，且后一级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度均大于第三缓冲单元。
在上述材料性能前提下，在载荷的作用下：无论壁厚如何，首先，第三缓冲单元被后一级缓冲单元逐步切割；然后，后一级缓冲单元被前一级缓冲单元逐步切割；最后，前一缓冲单元发生折叠屈曲，进一步缓冲吸能。
当然本发明虽然只列举了二个缓冲单元、三个缓冲单元，其实可以根据需要进行三个以上缓冲单元的级联，其原理及工作过程同上。
Claims (6)
1.一种级联式载荷缓冲吸能装置，包括沿载荷方向依次级联式设置至少两个缓冲单元，
任一缓冲单元包括至少一个金属管，且相邻缓冲单元金属管的数量不同时为1；
任一缓冲单元的金属管长度相同且轴向均与载荷方向平行；相邻缓冲单元的金属管相互交错放置且端面接触；
任一缓冲单元的金属管由塑性材料制成；
其特征在于：
各级缓冲单元的金属管的轴向刚度以及材料屈服强度均不相同，每一级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度均大于或者小于相邻级缓冲单元的金属管的轴向刚度和材料屈服强度，相邻级别的缓冲单元中有一级缓冲单元中的金属管在剪切作用下均发生断裂破坏。
2.根据权利要求1所述的级联式载荷缓冲吸能装置，其特征在于：所述缓冲吸能装置包括沿载荷方向依次级联式设置的两个缓冲单元。
3.根据权利要求1所述的级联式载荷缓冲吸能装置，其特征在于：所述缓冲吸能装置包括沿载荷方向依次级联式交替设置的三个缓冲单元。
4.根据权利要求1或2或3所述的级联式载荷缓冲吸能装置，其特征在于：所述任一缓冲单元的金属管为多边形管或圆管。
5.根据权利要求4所述的级联式载荷缓冲吸能装置，其特征在于：所述任一缓冲单元的金属管的材料为为铝、钢或铜。
6.根据权利要求5所述的级联式载荷缓冲吸能装置，其特征在于：任一后一级缓冲单元中的相邻两个金属管之间的间隙大于该相邻金属管管径之和的八分之一。
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