CN102913582B - 一种载荷缓冲吸能装置及吸能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种载荷缓冲吸能装置，包括沿载荷方向依次设置的缓冲单元和阻挡栅格组件，缓冲单元包括一个塑性材料薄壁金属管或者多个相互平行设置的塑性材料薄壁金属管；薄壁金属管的轴向与载荷方向平行；阻挡栅格组件所在平面与载荷方向垂直，阻挡栅格组件由至少一个栅格单元拼接组成，栅格单元包括至少三块切割板，多块切割板的一端相互固定且另一端成圆周分布，且固定处形成栅格单元中心。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、载荷效率低的技术问题，具有缓冲平稳、缓冲行程利用率高、载荷效率高等特点。

Description

一种载荷缓冲吸能装置及吸能方法

技术领域

本发明涉及一种载荷缓冲吸能装置及吸能方法，特别是一种薄壁金属管结构的载荷缓冲吸能方法及装置。

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、变形模式会受到薄壁金属管的径厚比和长径比等因素的影响，如长径比过大的薄壁金属管就会发生欧拉屈曲达不到缓冲的目的；二、在缓冲后期薄壁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、载荷效率低的技术问题，本发明提供一种载荷缓冲吸能装置及吸能方法，用于冲击或撞击试验的缓冲吸能装置，具有缓冲平稳、缓冲行程利用率高、载荷效率高等特点。

本发明的技术解决方案：

一种载荷缓冲吸能装置，其特殊之处在于：包括沿载荷方向依次设置的缓冲单元和阻挡栅格组件，

所述缓冲单元包括一个塑性材料薄壁金属管或者多个相互平行设置的塑性材料薄壁金属管；所述薄壁金属管的轴向与载荷方向平行；所述阻挡栅格组件所在平面与载荷方向垂直，所述阻挡栅格组件由至少一个栅格单元拼接组成，所述栅格单元包括至少三块切割板，所述多块切割板的一端相互固定且另一端成圆周分布，且固定处形成栅格单元中心，

所述缓冲单元的一端面与阻挡栅格组件接触且一个薄壁金属管对应一个栅格单元，所述阻挡栅格组件悬空设置，

所述切割板的材料屈服强度大于薄壁金属管的材料屈服强度，所述切割板的轴向刚度大于薄壁金属管的轴向刚度，

上述栅格单元和薄壁金属管的接触面积满足：

$S\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_0\×S_0}{4{\mathrm{\σ}}_u},$

其中：

S₀为薄壁金属管横截面积，

σ₀为薄壁金属管材料的屈服应力，

σ_u为薄壁金属管材料的最大拉伸应力。

上述薄壁金属管为多边形管或圆管。

上述栅格单元包括四块切割板拼成“十字形”结构或栅格单元包括六块切割板拼成“雪花形”结构。

上述切割板为薄壁金属板。

上述薄壁金属管的材料为铝、钢或铜，所述薄壁金属板材料为铝、钢或铜。

一种吸能装置的吸能方法，其特殊之处在于：

1】组装吸能装置：包括缓冲单元和阻挡栅格组件；

所述缓冲单元为包括至少一个相互平行设置的塑性材料薄壁金属管；所述薄壁金属管的轴向与载荷方向平行；所述阻挡栅格组件所在平面与载荷方向垂直，所述阻挡栅格组件由至少一个栅格单元拼接组成，所述栅格单元包括至少三块切割板，所述切割板一端固定且圆周均布，固定处形成栅格单元中心，

所述缓冲单元的一端面与阻挡栅格组件接触且一个薄壁金属管对应一个栅格单元，所述薄壁金属管的中心与栅格单元中心重合，所述阻挡栅格组件悬空设置，

所述切割板的材料屈服强度大于薄壁金属管的材料屈服强度，所述切割板的轴向刚度大于薄壁金属管的轴向刚度；

2】加载，载荷方向与薄壁金属管的轴向平行；

3】切割吸能：载荷直接作用在缓冲单元一端面上，此时位于缓冲单元另一端的阻挡栅格组件在载荷的作用下切割缓冲单元的薄壁金属管，薄壁金属管的破损部分从阻挡栅格组件3的间隙或边缘处挤出，直至薄壁金属管从一端切到另一端，实现对载荷的持续缓冲。

上述栅格单元和薄壁金属管的接触面积满足：

$S\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_0\×S_0}{4{\mathrm{\σ}}_u},$

其中：

S₀为薄壁金属管横截面积，

σ₀为薄壁金属管材料的屈服应力，

σ_u为薄壁金属管材料的最大拉伸应力。

上述薄壁金属管为多边形管或圆管，所述薄壁金属管的材料为铝、钢或铜；所述切割板为薄金属板。

上述栅格单元包括四块切割板拼成“十字形”结构或栅格单元包括六块切割板拼成“雪花形”结构。

本发明具有的有益效果有：

1、本发明采用阻挡栅格组件切割薄壁金属管吸能的方法，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。

2、本发明采用阻挡栅格组件切割薄壁金属管吸能的方法，避免了传统缓冲吸能方法中，薄壁金属管屈曲后期叠加在一起导致的行程利用率较低的问题，提高了行程利用率。

3、本发明薄壁金属管在屈曲前已发生剪切，整个吸能过程中薄壁金属管不发生折叠变形，因此在缓冲结构设计时无需考虑薄壁金属管的长径比和径厚比，简化了参数设计。

4、本发明通过改变栅格形状、空隙率、薄壁金属管数量、薄壁金属管材料、薄壁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。

5、本发明的薄壁金属管在断裂过程中无径向扩张，有利于结构紧凑化设计。

附图说明

图1为单个薄壁金属管和“十字形”阻挡栅格组件构成的缓冲装置侧视图；

图2为单个薄壁金属管和“十字形”阻挡栅格组件构成的缓冲装置俯视图；

图3为多个薄壁金属管和“十字形”阻挡栅格组件构成的缓冲装置俯视图；

图4为本发明载荷随位移变化曲线示意图；

图5为单个薄壁金属管和“雪花形”阻挡栅格组件构成的缓冲装置俯视图；

其中：1-重物，2-薄壁金属管，3-阻挡栅格组件，V-载荷方向。

具体实施方式

实施例一：

如图1和图2所示，单个薄壁金属管2轴线下方设置有一只“十字形”阻挡栅格组件3，载荷沿薄壁金属管2的轴线方向施加，为了确保阻挡栅格组件3能够对薄壁金属管2切割，薄壁金属管2须选用钢、铝、铜等塑性材料，且材料屈服强度小于阻挡栅格组件3的材料屈服强度；同时在切割过程中阻挡栅格组件3本身不能弯曲变形，否则会导致切割不均匀甚至无法完成切割过程，故要求阻挡栅格组件3的轴向刚度大于薄壁金属管2的轴向刚度；此外为确保薄壁金属管发生断裂破坏而非轴向屈曲，薄壁金属管2与阻挡栅格组件3接触面积S不宜过大，应满足公式(1)的要求：

$S\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_0\×S_0}{4{\mathrm{\σ}}_u}---\left(1\right)$

式中，σ₀为薄壁金属管材料的屈服应力；σ_u为薄壁金属管材料的最大拉伸应力；S₀为薄壁金属管横截面积，如圆管D_外为圆管的外径，D_内为圆管的内径。

这样以来，在轴向载荷加载初期，由于薄壁金属管2材料的屈服强度小于阻挡栅格组件3的材料屈服强度，在阻挡栅格组件的挤压作用下，薄壁金属管2与阻挡栅格组件3接触部分发生塑性变形；当载荷持续加载时，薄壁金属管2在阻挡栅格组件3的剪切作用下发生断裂破坏，阻挡栅格组件3被载荷沿轴向逐步压入薄壁金属管2，薄壁金属管2被阻挡栅格组件3切割后其破损部分从阻挡栅格组件3的间隙或边缘处挤出，实现对载荷的持续缓冲；由于阻挡栅格组件3的轴向刚度大于薄壁金属管2的轴向刚度，阻挡栅格组件3不会发生弯曲或其他变形，实现切割过程的稳定进行，同时也确保了缓冲过程的均匀性。

通过增减薄壁金属管的长度和数量，可以调整行程利用率，改变装置可吸收的能量；在确保栅格强度和刚度的前提下，改变薄壁金属管和栅格的接触面积或薄壁金属管的材料就可以改变平均载荷和能量吸收量，具有广泛地适用性。

实施例二：

如图3所示，主体部分由7个相同的薄壁金属管2构成，薄壁金属管2的材料为20#钢，尺寸为：Φ40mm×200mm×1.6mm。由厚度3mm的Q345B钢板焊接成边长为25mm的阻挡栅格组件3，整个阻挡栅格组件3半径为130mm，载荷方向尺寸60mm。

图4为载荷-位移曲线。缓冲结构在压头向下移动时，薄壁金属管2与阻挡栅格组件3的接触部分发生挤压作用，随着载荷逐渐增大，塑性区内开始发生塑性流动；当载荷增大到峰值约311kN时，阻挡栅格组件3压入薄壁金属管2内，薄壁金属管2损坏部分从两边挤出，在阻挡栅格组件3的剪切作用下发生断裂；随后薄壁金属管2进入相对稳定的切割阶段，此时载荷随位移的增加而上下波动，基本保持在281kN左右。在整个压缩过程中，薄壁金属管2没有出现轴向折叠或欧拉屈曲等现象，而是在阻挡栅格组件3剪切作用下发生断裂破坏，其原因是薄壁金属管2发生剪切所需的峰值载荷低于轴向屈曲的峰值载荷，进入切割阶段后破坏模式稳定，载荷略有波动，但变化不大。

由图4可见，当位移为100mm时，该缓冲结构的平均载荷约为265kN，载荷效率即平均载荷/峰值的比值约为0.85；稳定阶段的载荷平均值/峰值的比值约为0.90，该缓冲结构的行程利用率约为0.77，表明该结构具有良好的缓冲吸能特性。

实施方式三：

如图5所示，薄壁金属管2采用横截面为方形的薄壁铝管，阻挡栅格组件3采用20#钢板焊接成“雪花形”栅格。由于20#钢强度大于铝的材料强度，因此薄壁金属管2在“雪花形”阻挡栅格组件的剪切作用下被分割为八份，并沿铝管的轴向发生断裂破坏。

类似于实施例二，薄壁金属管2采用多个相同尺寸的方形薄壁铝管，阻挡栅格组件3为多个横截面为“雪花形”网格结构，同样也可以达到稳定的载荷缓冲效果。本发明不局限于上述具体实施方式，比如阻挡栅格组件的类似截面形状、薄壁金属管的数量和类似排布方式等，均在本发明的保护范围内。

本发明原理：本发明沿载荷方向设置若干只薄壁金属管，薄壁金属管的一端设置有阻挡栅格组件，阻挡栅格组件的材料屈服强度大于薄壁金属管的材料屈服强度，阻挡栅格组件的轴向刚度大于薄壁金属管的轴向刚度，当载荷加载时，薄壁金属管在阻挡栅格组件的剪切作用下发生断裂破坏，阻挡栅格组件被压入薄壁金属管，薄壁金属管被阻挡栅格组件切割，实现了对载荷的持续缓冲。

Claims (10)

1.一种载荷缓冲吸能装置，其特征在于：包括沿载荷方向依次设置的缓冲单元和阻挡栅格组件，

所述缓冲单元包括一个塑性材料薄壁金属管或者多个相互平行设置的塑性材料薄壁金属管；所述薄壁金属管的轴向与载荷方向平行；所述阻挡栅格组件所在平面与载荷方向垂直，所述阻挡栅格组件由至少一个栅格单元拼接组成，所述栅格单元包括至少三块切割板，多块切割板的一端相互固定且另一端呈圆周分布，且固定处形成栅格单元中心，

所述缓冲单元的一端面与阻挡栅格组件接触且一个薄壁金属管对应一个栅格单元，所述阻挡栅格组件悬空设置，

所述切割板的材料屈服强度大于薄壁金属管的材料屈服强度，所述切割板的轴向刚度大于薄壁金属管的轴向刚度。

2.根据权利要求1所述的载荷缓冲吸能装置，其特征在于：

所述栅格单元和薄壁金属管的接触面积满足：

$S\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_0\×S_0}{4{\mathrm{\σ}}_u},$

其中：

S₀为薄壁金属管横截面积，

σ₀为薄壁金属管材料的屈服应力，

σ_u为薄壁金属管材料的最大拉伸应力。

3.根据权利要求1或2所述的载荷缓冲吸能装置，其特征在于：所述薄壁金属管为多边形管或圆管。

4.根据权利要求3所述的载荷缓冲吸能装置，其特征在于：所述栅格单元包括四块切割板拼成“十字形”结构或栅格单元包括六块切割板拼成“雪花形”结构。

5.根据权利要求4所述的载荷缓冲吸能装置，其特征在于：所述切割板为薄壁金属板。

6.根据权利要求5所述的载荷缓冲吸能装置，其特征在于：所述薄壁金属管的材料为铝、钢或铜，所述薄壁金属板材料为铝、钢或铜。

7.一种根据权利要求1所述吸能装置的吸能方法，其特征在于：

1】组装吸能装置：包括缓冲单元和阻挡栅格组件；

所述缓冲单元为包括至少一个相互平行设置的塑性材料薄壁金属管；所述薄壁金属管的轴向与载荷方向平行；所述阻挡栅格组件所在平面与载荷方向垂直，所述阻挡栅格组件由至少一个栅格单元拼接组成，所述栅格单元包括至少三块切割板，所述切割板的一端相互固定且另一端呈圆周分布，固定处形成栅格单元中心，

所述缓冲单元的一端面与阻挡栅格组件接触且一个薄壁金属管对应一个栅格单元，所述薄壁金属管的中心与栅格单元中心重合，所述阻挡栅格组件悬空设置，

所述切割板的材料屈服强度大于薄壁金属管的材料屈服强度，所述切割板的轴向刚度大于薄壁金属管的轴向刚度；

2】加载，载荷方向与薄壁金属管的轴向平行；

3】切割吸能：载荷直接作用在缓冲单元另一端面上，此时位于缓冲单元一端面的阻挡栅格组件在载荷的作用下切割缓冲单元的薄壁金属管，薄壁金属管的破损部分从阻挡栅格组件的间隙或边缘处挤出，直至将薄壁金属管从一端切到另一端，实现对载荷的持续缓冲。

8.根据权利要求7所述的吸能方法，其特征在于：

所述步骤1】中的栅格单元和薄壁金属管的接触面积满足：

$S\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_0\×S_0}{4{\mathrm{\σ}}_u},$

其中：

S₀为薄壁金属管横截面积，

σ₀为薄壁金属管材料的屈服应力，

σ_u为薄壁金属管材料的最大拉伸应力。

9.根据权利要求7或8所述的吸能方法，其特征在于：所述步骤1】中的薄壁金属管为多边形管或圆管，所述薄壁金属管的材料为铝、钢或铜；所述切割板为薄金属板。

10.根据权利要求9所述的吸能方法，其特征在于：所述步骤1】中的栅格单元包括四块切割板拼成“十字形”结构或栅格单元包括六块切割板拼成“雪花形”结构。