CN103398122B - 一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，为金属材料制成哑铃状薄壁管结构，组合结构由若干个哑铃状薄壁管分结构交错排列组成，每个哑铃状薄壁管分结构由两平行放置薄板连接两空心圆管而成，平板垂直于冲击方向放置。本发明通过哑铃形截面设计，实现在冲击过程中各个哑铃状分结构之间的自锁定，克服了传统吸能装置需要在横向边界上安装约束装置或在各个分结构之间增加连接装置的缺陷，大大降低了拆装成本和拆装时间，利用结构间的自锁效应将冲击能量转化为结构的弹性变形和塑性耗散，能够有效吸收冲击能量。根据冲击能量的大小，可自由调节组合结构每层放置哑铃状薄壁管分结构的个数和层数，简单有效地提高材料的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及吸能装置的技术领域，特别涉及一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，该吸能装置适用于车辆、火车等交通工具与航天器、空投物品的抗撞击减震防护系统，或核能设施的抗爆炸冲击防护系统。
背景技术
碰撞、冲击、爆炸等事故会导致结构在强冲击载荷的作用下发生破坏，造成严重的生命和财产损失，因此如何根据结构受冲击后的整体性能，提出合理的设计方案及制定固定的或临时安装的有效防护措施，设计性能优异的抗冲击吸能装置，已成为结构安全防护中的热门课题。
在引入缓冲、吸能机理的设计理念下，金属圆环结构以变形稳定、比能耗高、承载力稳定、变形行程长、初始冲击力小、取材方便以及易于更换等优势，在工程应用和国防工程方面得到了实际应用，取得了良好的经济效益和社会效益。因此现有设计的抗冲击吸能装置多采用多排圆管组装而成。
然而，在冲击过程中，圆管的横向飞溅会降低吸能效率，并有可能引起二次损害。为克服这一缺陷，工程中通常采用两种方法：第一，在圆管阵列的边界安装强度较大的固定挡板，约束圆管阵列的横向扩张；第二，将圆管之间以焊接或螺栓固定，约束圆管之间的相对运动。然而，这两种方法都不同程度上增加了安装的时间和人力成本，尤其在紧急抢险等情况下并不理想。
所以，寻找一种便于拆装的能量吸收装置，降低拆装的材料、时间和人力成本，根据需要快速、高效地搭建起抗冲击的防护系统，是一件很有意义的工作，对于提高材料利用率、快速搭建抗冲击防护系统、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哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，该吸能装置为易于拆装、经济实用的能量吸收装置，为冲击碰撞爆炸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：一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，其特征在于：用于吸能的两主体圆管之间以两平行放置的薄板连接，若干个哑铃状薄壁管分结构交错排列组成多排多列组合结构，使相邻两排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为哑铃形，且两平行薄板间的距离h小于主体圆管的直径D；
所述的薄壁管分结构的轴向长度L与两主体圆管之间的轴心距A满足L>A。
进一步的，哑铃状薄壁管分结构之间的交错排列无需在边界上安装约束装置或在各个分结构之间增加连接装置，即可排列组成吸能装置。
进一步的，薄壁管分结构中圆管的直径D与薄壁管厚度t满足D/t＞10，两圆管之间的轴心距A与两圆管壁内部的距离B满足B/A=0.5～0.8，两平行放置的薄板间距h与圆管的直径D满足：h/D=0～0.6。
本发明的原理在于：
一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，整体为金属材料制成的多个哑铃状薄壁管排列而成的组合结构。单个分结构由两平行放置薄板连接两空心圆管而成，组合结构由若干个哑铃状薄壁管交错排列组成，哑铃形薄壁管的形状比例使相邻两排结构在冲击过程中达到自锁的效果。每层放置哑铃状薄壁管的个数和层数可根据冲击能量的大小灵活调节。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，在冲击过程中可实现自锁定，即无需在垂直冲击方向施加边界约束或紧固件，从而省去了强度要求高的挡板或紧固件，有较强的经济性。
2、本发明一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，该结构易于拆卸和安装，组装过程中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、本发明一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，由多个哑铃状薄壁管分结构组成，可根据冲击能量大小及场地等实际情况要求，增减哑铃状薄壁管分结构的个数，随时调整自锁吸能装置的规模，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为本发明所涉及的组合结构横截面示意图。
图3为本发明所涉及的单个哑铃状薄壁管分结构示意图。
图4为本发明所涉及的单个哑铃状薄壁管分结构横截面的示意图。
图5为本发明所涉及的组合结构承受垂直平板方向冲击后的示意图。
图6为本发明所涉及的实施例1数值模拟中组合结构承受冲击前的示意图。
图7为本发明所涉及的实施例1数值模拟中组合结构承受冲击后的示意图。
图8为本发明所涉及的实施例1数值模拟中组合结构位移能量曲线的示意图。
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。
本发明一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，如图1所示，整体为金属材料制成的多个哑铃状薄壁管排列而成的组合结构；
所述哑铃状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，相邻排与排间圆管与圆管、圆管与平行放置薄板之间均相切。
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>10，两圆管之间的轴心距A与两圆管壁内部的距离B满足B/A=0.5～0.8，两平行放置的薄板间距h与圆管的直径D满足：h/D=0～0.6。
实施例1
通过仿真模拟计算冲击物时速v＝50km/h＝13.89m/s，冲击物质量为m＝150kg时需要安装的相应的自锁吸能装置的吸能效果。选定的组合结构由14个哑铃状薄壁管分结构交错排列组成5排。单个分结构参数如下：管圆弧处的直径D=40mm，轴心距A=104mm，厚度t=2.5mm，平板间距离h=8mm。在组合结构的上下表面和左表面放置钢板，以便于施加边界条件和冲击载荷。下钢板和薄壁管的左端施加固定约束，以消除刚体位移。上钢板采取单向可移动约束条件，即与冲击速度相同的方向。冲击载荷沿垂直于哑铃状薄壁管两平行薄板方向施加。采用ABAQUS/implicit进行动态模拟。
冲击能量E＝1/2mv2＝1/2×150×13.892 J＝1.447×104 J。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，可参照附图图8组合结构吸收能量E随压缩位移U的变化图，得知吸收最大能量为Emax＝1.363×104 J，吸收了总冲击能量的94.2%。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。
自锁吸能装置吸收能量的能力主要由几何结构和几何尺寸决定，在保持哑铃形截面结构不变的情况下，在本发明规定的比例范围内，可适当调节结构尺寸，不改变自锁吸能装置的自锁效果。
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 (2)
1.一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，其特征在于：用于吸能的两主体圆管之间以两平行放置的薄板连接，若干个哑铃状薄壁管分结构交错排列组成多排多列组合结构，使相邻两排结构在冲击过程中达到自锁的效果；每层放置哑铃状薄壁管的个数和层数可根据冲击能量的大小灵活调节；所述哑铃状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；
所述的薄壁管分结构横截面为哑铃形，且两平行薄板间的距离h小于主体圆管的直径D；
所述的薄壁管分结构的轴向长度L与两主体圆管之间的轴心距A满足L>A；
薄壁管分结构中圆管的直径D与薄壁管厚度t满足D/t＞10，两圆管之间的轴心距A与两圆管壁内部的距离B满足B/A＝0.5～0.8，两平行放置的薄板间距h与圆管的直径D满足：h/D＝0～0.6。
2.根据权利要求1所述的一种哑铃状薄壁管结构易组装自锁吸能装置，其特征在于：哑铃状薄壁管分结构之间的交错排列无需在边界上安装约束装置或在各个分结构之间增加连接装置，即可排列组成吸能装置。
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