CN104088947B - 一种利用材料极限特性的能量吸收装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及吸能装置领域，具体涉及一种利用材料极限特性的能量吸收装置及其制作方法。该能量吸收装置包括T型头、吸能管以及底板，所述底板固定在需要保护的结构上，所述吸能管的一端与底板连接，所述T型头插入吸能管的另一端；T型头由上、下圆柱体结构组成，下部圆柱体的直径小于上部圆柱体，上、下圆柱体通过圆弧面光滑连接；吸能管与T型头接触的一段为分瓣结构，各分瓣部分紧贴T型头的所述圆弧面，呈向外弯曲状。本发明具有破坏模式稳定，载荷平稳性好，吸能效果好，制作工艺简单，调节灵活以及空间利用率高等优点。

Description

一种利用材料极限特性的能量吸收装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及吸能装置领域，具体涉及一种利用材料极限特性的能量吸收装置及其制作方法。

背景技术

常见的吸能结构有复合材料圆柱管，金属圆柱管，泡沫铝以及帽形结构等，这些吸能结构都有各自的不足之处。复合材料圆柱管——破坏模式复杂多样，可预见性差，同时破坏过程伴随有碎屑生成；金属圆柱管——塑性的金属圆柱管渐进压溃过程中载荷波动过大，脆性的金属圆柱管载荷变化剧烈，能量吸收不易预见，并且有碎片崩射；泡沫铝——塑性泡沫铝致密压缩阶段载荷升高过于迅速，脆性泡沫铝压缩过程中伴随有碎屑脱离，载荷随胞体的断裂而发生局部抖动；帽形结构——单帽和双帽结构载荷平稳性不好，帽形填充结构则加工难度大、成本高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种制作工艺简单、载荷平稳性和吸能效果更好的能量吸收装置及其制作方法。

本发明的技术方案如下：一种利用材料极限特性的能量吸收装置，包括T型头、吸能管以及底板，所述底板固定在需要保护的结构上，所述吸能管的一端与底板连接，所述T型头插入吸能管的另一端；T型头由上、下圆柱体结构组成，下部圆柱体的直径小于上部圆柱体，上、下圆柱体通过圆弧面光滑连接；吸能管与T型头接触的一段为分瓣结构，各分瓣部分紧贴T型头的所述圆弧面，呈向外弯曲状。

进一步，如上所述的利用材料极限特性的能量吸收装置，其中，所述吸能管的管壁上沿轴向设置若干个缺口，所述缺口的位置与各分瓣部分的边沿相对应，从分瓣部分的边沿延伸至吸能管的底部。

更进一步，所述的缺口在管壁上预置一定深度且不贯穿管壁，所述深度不超过1/3管壁厚度。

更进一步，所述的若干个缺口在管壁上均匀设置。

进一步，如上所述的利用材料极限特性的能量吸收装置，其中，

吸能管材料硬度＜T型头、底板材料硬度；

吸能管材料屈服强度＜T型头、底板材料屈服强度。

一种上述利用材料极限特性的能量吸收装置的制作方法，包括：

分别加工T型头、吸能管以及底板，在所述吸能管管壁上沿轴向加工若干个缺口，缺口的上部较短一段贯穿管壁，下部较长一段在管壁上预置一定深度且不贯穿管壁；

将加工完成的吸能管底部焊接在底板上，将T型头插入吸能管中，然后对T型头施加压力；

在T型头被下压的过程中，吸能管上部缺口贯穿管壁的一段被压开并向外弯曲形成分瓣结构，当各分瓣部分紧贴T型头的圆弧面时，下压结束，此状态为该吸能装置加工完成后的成品状态。

本发明的有益效果如下：本发明利用了弹塑性金属材料在断裂和塑性弯曲过程中吸收能量的作用，T型头在上部受到重物冲击作用时，迫使T型头圆弧面挤压吸能管，吸能管缺口处材料超出断裂韧度，从而使得吸能管各分块从各个预置缺口处均匀裂开，吸能管各分块裂开后在圆弧面持续挤压下超过了材料的屈服极限，沿T型头圆弧面发生塑性弯曲。在整个压缩的过程中，吸能管连续、均匀地发生断裂和塑性弯曲，重物的冲击能量被不断吸收，最终静止在吸能结构面。本发明提供的方法制作的压缩型吸能结构具有破坏模式稳定，载荷平稳性好，吸能效果好，制作工艺简单，调节灵活以及空间利用率高等优点。此方法也可用于设备上端防护结构的制造。

附图说明

图1为利用材料极限特性的能量吸收装置的结构示意图；

图2为T型头的结构示意图；

图3为吸能管的结构示意图；

图4为吸能管管壁上缺口的横截面示意图；

图5-1、图5-2为能量吸收装置的制作成型过程示意图；

图6为吸能管压缩过程中裂开和弯曲的示意图；

图7为吸能管压缩过程中载荷随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的利用材料极限特性的能量吸收装置由T型头1、吸能管2以及底板3构成，如图1所示。T型头1插入吸能管2中，使T型头1和吸能管2紧密接触。对T型头1施加一定的压力，使吸能管2上端各分块向外形成一定的弯曲量。底板3与吸能管2相连接，用于将能量吸收装置固定在需要保护的结构上。

T型头的结构如图2所示，T型头上下部分均为圆柱体，下部圆柱体12直径小于上部圆柱体11，两个圆柱体通过圆弧面13光滑连接。T型头在受到压力作用时，圆弧面13将挤压吸能管2，使之向外弯曲。在整个压缩的过程中，载荷的大小与圆弧的半径大小有关，半径越大，载荷越小。

吸能管2的结构如图3所示，吸能管2的圆周上均匀布置若干个缺口21，缺口的上部一段贯穿管壁，但长度比较短，从其下端至吸能管底部预置了一定深度缺口且不贯穿管壁，所述深度不超过1/3管壁厚度，此部分缺口的横截面可以为三角形，如图4局部放大图所示。这种缺口能够保证吸能管2在受压时，在缺口尖端形成应力集中，使裂纹的扩展方向沿着缺口往下扩展。为满足不同的载荷要求，吸能管有多个参数可以灵活地调节，包括吸能管的长度、管壁的厚度以及上部一段的分块数。长度越长吸收的能量越多，厚度越大载荷越大，分块数越多载荷越小。

本发明所提供的利用材料极限特性的能量吸收装置的制作方法如下：

将加工完成吸能管焊接在底板上，T型头插入吸能管中，然后通过试验机压T型头，如图5-1所示。下压过程中吸能管的各分块向外弯曲，试验机下压一定距离后，各分块弯曲到指定位置并紧贴T型头的圆弧面，如图5-2所示，这就是成型的压缩型吸能装置。将成型的压缩型吸能装置固定在需要保护的结构上面即可起到吸能防护的作用。

从材料的使用上考虑，T型头与吸能管的材料力学性能要有一定的匹配关系，材料的优选方案如下：

吸能管材料硬度＜T型头、底板材料硬度；

吸能管材料屈服强度＜T型头、底板材料屈服强度。

本发明的基本原理是利用了弹塑性金属材料在断裂和塑性弯曲过程中吸收能量的作用。T型头在上部受到重物冲击作用时，迫使T型头圆弧面挤压吸能管，吸能管材料超出断裂韧度，从而使得吸能管各分块从各个预置缺口处裂开，吸能管各分块裂开后在圆弧面持续挤压下超过了材料的屈服极限，发生塑性弯曲。在整个压缩的过程中，吸能管连续地发生开裂和塑性弯曲，重物冲击的动能被不断吸收，最终静止在吸能结构面。

由于T型头具有圆弧面的特征，挤压吸能管之后使吸能管向外弯曲，超过屈服极限之后，沿T型头圆弧面出现塑性弯曲，塑性弯曲就要吸收能量，从而减轻重物的冲击作用，如图6所示。

由于吸能管预置了若干个缺口，在受到挤压之后，吸能管将从各个缺口处裂开，在裂开过程中也要吸收能量，能够进一步地减轻重物的冲击作用，如图6所示。

吸能管的塑性弯曲和开裂同时持续发生，能保证压缩过程中载荷的平稳性，使得冲击T型头重物的能量能够平稳地耗散，减少了转移到被保护结构上的能量，能够有效的保护结构不被破坏。图7中0～t₁时间内所对应的为吸能管结构加工成型过程中的载荷变化曲线，在此过程中，T型头挤压吸能管，使其出现弯曲并紧贴吸能管的，引起载荷变化的主要原因为吸能管分块的弯曲；t₁～t₂时间内所对应的为吸能管结构在实际应用中受压过程的载荷变化曲线，载荷从零迅速线性增加到一个稳定值，而不再经历0～t₁的过程，随着吸能管压缩过程中持续地发生裂开和弯曲，载荷在此过程中保持稳定，能够有效地吸收能量，保护结构。

实施例

下面提供一个本发明的具体实施例，其中的材料和尺寸的选取不具有限定性，本领域的技术人员完全可以根据实际情况对这种能量吸收装置进行符合要求的专门设计。

1)材料：

吸能管--304L屈服强度205MPa抗拉强度520MPa；

T型头及底板--42CrMoA屈服强度780MPa抗拉强度980MPa。

2)结构：

吸能管外径219mm，壁厚12mm，高度356mm；

吸能管预置开槽数6，预置开裂长度50mm；

T型头倒角半径50mm，预压入吸能管80mm。

3)性能：

吸能结构有效吸能位移145mm；

吸能结构抗冲击载荷120t±20t；

吸能结构有效行程内的最大吸收能量为192KJ。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种利用材料极限特性的能量吸收装置，其特征在于：包括T型头（1）、吸能管（2）以及底板（3），所述底板（3）固定在需要保护的结构上，所述吸能管（2）的一端与底板（3）连接，所述T型头（1）插入吸能管（2）的另一端；T型头（1）由上、下圆柱体结构组成，下部圆柱体（12）的直径小于上部圆柱体（11），上、下圆柱体通过圆弧面（13）光滑连接；吸能管（2）与T型头（1）接触的一段为分瓣结构，各分瓣部分紧贴T型头（1）的所述圆弧面（13），呈向外弯曲状；所述吸能管（2）的管壁上沿轴向设置若干个缺口（21），所述缺口（21）的位置与各分瓣部分的边沿相对应，从分瓣部分的边沿延伸至吸能管（2）的底部，所述缺口（21）在管壁上预置一定深度且不贯穿管壁，所述深度不超过1/3管壁厚度；吸能管材料硬度＜T型头、底板材料硬度；吸能管材料屈服强度＜T型头、底板材料屈服强度。

2.如权利要求1所述的利用材料极限特性的能量吸收装置，其特征在于：所述的若干个缺口（21）在管壁上均匀设置。

3.一种权利要求1-2中任意一项所述的利用材料极限特性的能量吸收装置的制作方法，包括：

分别加工T型头（1）、吸能管（2）以及底板（3），在所述吸能管（2）管壁上沿轴向加工若干个缺口（21），缺口（21）的上部较短一段贯穿管壁，下部较长一段在管壁上预置一定深度且不贯穿管壁；

将加工完成的吸能管（2）底部焊接在底板（3）上，将T型头（1）插入吸能管（2）中，然后对T型头（1）施加压力；

在T型头（1）被下压的过程中，吸能管（2）上部缺口贯穿管壁的一段被压开并向外弯曲形成分瓣结构，当各分瓣部分紧贴T型头（1）的圆弧面（13）时，下压结束，此状态为该能量吸收装置加工完成后的成品状态。