CN104249489A - 一种冲击能量吸收装置 - Google Patents
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Abstract
一种冲击能量吸收装置，包括上层平板、下层平板以及位于上层平板和下层平板之间的中间层，其特征在于：所述中间层由两层半球体组成，每层的多个半球体均呈矩阵状排列，并且两层的半球体相互一一对应并且倒置设置，每个半球体所在的球体表达式为x2/a2+y2/b2+z2/c2=1，该半球体为沿x-z平面切开，每层半球体的底部平面分别与上层平板以及下层平板连接，而且两层半球体的顶部在中间层的中间相互重叠2d距离，其中0.1≤(b-d)/2a≤10。本发明的冲击能量吸收装置抗冲击能力较高，具有高度的动态稳定性，在冲击载荷下不易失稳，而且成本低廉、原材料获取难度低、制作工艺非常成熟，成型所需模具成本较低、几何结构简单，开模成型率高，非常适合批量流水线生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种能量吸收装置，特别是涉及一种冲击能量吸收装置。
背景技术
随着社会不断发展以及人类活动需求的不断提高，冲击能量吸收材料及其装置的使用越来越广泛，军事装置、反恐设施、高速铁路、汽车、建筑结构、机械保护零部件等都已经或即将使用大量的冲击能量吸收材料。由于有惯性效应和应力波效应，动态载荷较之于静态载荷对于系统承载能力考验更大。因此如何选择高性能的吸能材料是当今工程技术的关键难点之一。传统的能量耗散材料和装置一般是基于金属材料的塑性变形，细胞束或者泡沫材料的屈曲，聚合物的变形缓冲，纺织复合材料的内部摩擦和相变等，一般吸能能力约为1J/g～10J/g，这些材料在受到线性、低速小质量冲击时能够较好地实现吸能功能，然而一旦受到非线性、高速冲击，其吸能效果就会大幅下降，主要原因在于应力区域化以及材料响应时间太长。此外，传统吸能材料的动态载荷因子k，k＝σdσq，即某应变率下的动态加载的最大承受应力σd与准静态加载的最大承受应力σq之比，一般较低，使得系统选择与设计受到很大限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能对各类冲击载荷进行有效的冲击能量吸收，从而达到安全目的的冲击能量吸收装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种冲击能量吸收装置，包括上层平板、下层平板以及位于上层平板和下层平板之间的中间层，其特征在于：所述中间层由两层多个半球体组成，每层的多个半球体均呈矩阵状排列，并且两层的半球体相互一一对应并且倒置设置，每个半球体所在的球体的表达式为x2/a2+y2/b2+z2/c2=1，该半球体为沿x-z平面切开，每层半球体的底部平面分别与上层平板以及下层平板连接，而且两层半球体的顶部在中间层的中间相互重叠2d距离，其中0.1≤(b-d)/2a≤10。
优选地，该中间层的每层的多个半球体之间，在x方向和z方向，分别具有m和n的间距，该m和n满足0.9m≤n≤1.1m。
优选地，所述m=n。
该半球体为半椭球体，所述a≠b或c≠b。
所述上层平板和下层平板的尺寸相同，厚度也相同，并且上层平板和下层平板的尺寸大于该中间层的尺寸，厚度与中间层也不同。
所述上层平板、下层平板以及中间层均采用聚氨基甲酸乙酯、尼龙高聚物、多元脂高聚物或聚酰胺高分子材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于本发明的冲击能量吸收装置抗冲击能力较高，具有高度的动态稳定性，在冲击载荷下不易失稳，而且成本低廉、原材料获取难度低、制作工艺非常成熟，成型所需模具成本较低、几何结构简单，开模成型率高，非常适合批量流水线生产。
附图说明
图1为本发明冲击能量吸收装置的侧视图。
图2为沿图1中A-A线的剖视图。
图3为本发明冲击能量吸收装置的俯视图。
图4为球体在x-y平面的示意图。
图5为本发明的冲击能量吸收装置的载荷-位移曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明的冲击能量吸收装置，如图1-3所示，包括上层平板1，下层平板2以及位于上层平板1和下层平板2之间的中间层3，形成“三明治夹心”形式的宏观多层结构。
该中间层3由两层半球体组成，每层的多个半球体均呈矩阵状排列，并且两层的半球体相互一一对应并且倒置设置，而且在两层的半球体连接的位置相互重叠2d距离。每个半球体其所在球体的表达式为x2/a2+y2/b2+z2/c2=1。在x-y平面上，如图4所示，其投影曲线的表达式为x2/a2+y2/b2=1，每个半球体为该球体在x-z平面上切开的半个，即每个半球体的底部平面表达式为：x2/a2+z2/c2=1。每层半球体的底部平面分别与上层平板1和下层平板2连接，两个半球体的顶部在中间层3的中间相互重叠2d距离，即每个半球体所露出的高度为b-d。
并且，如图1-3所示，该中间层的每层的半球体之间，在x方向和z方向，分别具有m和n的间距，该m和n满足0.9m≤n≤1.1m，并且优选地，该m和n相同。并且上述的参数a、b和d之间，满足0.1≤(b-d)/2a≤10，这样可以防止动载荷作用下结构发生屈曲失稳。并且优选地，所述a≠b或c≠b，即该半球体为半椭球。
该上层平板1和下层平板2的水平尺寸相同，即在x-z平面上的尺寸，并且该中间层3的尺寸小于该上层平板1和下层平板2，上层平板1和下层平板2的厚度也相同，与中间层3的厚度不同。上层平板1和下层平板2的尺寸p、q可视实际情况而定。
上层平板1、下层平板2以及中间层3均采用聚氨基甲酸乙酯、尼龙高聚物、多元脂高聚物或聚酰胺高分子材料等具有高拉伸、压缩强度，密度小，延展性好的高分子材料制成。整个系统在加载速度为1m/s的低速冲击载荷下载荷-位移曲线见图5所示。
上述冲击能量吸收装置一般可采用整体出模加工工艺，即该中间层3的半球体为实心。当中间层3的半球体为空心，也即球壳时，也可采用将上层平板1、下层平板2以及中间层3分开出模然后粘接而成。如有需要，可将上层平板1和下层平板2与中间层与倒置球壳的重合处省去。
上述a、b、c、d以及m、n和p、q等尺寸，本领域的技术人员可以根据需要进行调整取值，而没有一定的取值范围。
以上层平板1、中间层3和下层平板2之间一体出模成型为例，该冲击能量吸收装置的制造方法如下所述：
1）加热，将聚氨基甲酸乙酯、尼龙高聚物、多元脂高聚物或聚酰胺高分子等高分子材料，加热至400摄氏度～800摄氏度，具体温度根据具体高分子材料调整，使得对象高分子材料处于热粘流体状态；
2）塑料成型模具制作，根据具体实施要求，确定上层平板1、下层平板2和中间层3的各设计参数，并据此进行模具制作；
3）成型，将流动的高分子材料缓慢注入根据上述参数设定值加工好的模具中，注入速度可根据具体高分子材料实施对象加以控制；
4）冷却硬化，24小时内空冷或风机冷却，即成型。
从整体上看，本发明的冲击能量吸收装置采用类似“三明治夹心”结构。该结构已经被相关科学研究文献及专利技术证明具有较为优异的冲击能量吸收作用；从局部上看，本发明的冲击能量吸收装置的中间层采用半球体倒置连接方式，由于半球体并非等截面圆柱体，既具有初始的屈曲缺陷，能够引导结构在冲击载荷下进行合理变形，又具有一定的刚度，使得抗冲击能力较高。
本发明的冲击能量吸收装置结构具有高度的动态稳定性，使得结构在冲击载荷下不易失稳，从而避免了结构承载能力的丧失。本发明的冲击能量吸收装置采用聚氨基甲酸乙酯、尼龙高聚物、多元脂高聚物或聚酰胺高分子材料等具有高拉伸、压缩强度，密度小，延展性好等高分子材料作为原材料，高分子材料具有很高的动态载荷因子k，这是由于该材料在高应变率冲击下，材料的玻璃态转化温度急剧上升，从而导致材料发生韧脆相变，材料杨氏模量提高几个数量级，能够够很好地吸收能量，应对冲击载荷。
而且本发明的冲击能量吸收装置采用聚氨基甲酸乙酯、尼龙高聚物、多元脂高聚物、聚酰胺高分子材料等具有高拉伸、压缩强度，密度小，延展性好的高分子材料作为原材料，成本低廉、原材料获取难度低、制作工艺非常成熟。成型所需模具成本较低、几何结构简单，开模成型率高，非常适合批量流水线生产。
本发明的冲击能量吸收装置可以广泛应用于军事、民用建筑、载运工具、体育运动器材设备、机械设备等领域中。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种冲击能量吸收装置，包括上层平板（1）、下层平板（2）以及位于上层平板（1）和下层平板（2）之间的中间层（3），其特征在于：所述中间层（3）由两层多个半球体组成，每层的多个半球体均呈矩阵状排列，并且两层的半球体相互一一对应并且倒置设置，每个半球体所在的球体表达式为x2/a2+y2/b2+z2/a2=1，该半球体为沿x-z平面切开，每层半球体的底部平面分别与上层平板（1）以及下层平板（2）连接，而且两层半球体的顶部在中间层（3）的中间相互重叠2d距离，其中0.1≤(b-d)/2a≤10。
2.如权利要求1所述的冲击能量吸收装置，其特征在于：该中间层（3）的每层的多个半球体之间，在x方向和z方向，分别具有m和n的间距，该m和n满足0.9m≤n≤1.1m。
3.如权利要求2所述的冲击能量吸收装置，其特征在于：所述m=n。
4.如权利要求1所述的冲击能量吸收装置，其特征在于：所述a≠b或c≠b。
5.如权利要求1所述的冲击能量吸收装置，其特征在于：所述上层平板（1）和下层平板（2）的尺寸相同，厚度也相同，并且上层平板（1）和下层平板（2）的尺寸大于该中间层（3）的尺寸，厚度与中间层（3）也不同。
6.如权利要求1所述的冲击能量吸收装置，其特征在于：所述上层平板（1）、下层平板（2）以及中间层（3）均采用聚氨基甲酸乙酯、尼龙高聚物、多元脂高聚物或聚酰胺高分子材料。
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