CN107120376A - 一种多材料嵌套复合结构吸能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多材料嵌套复合结构吸能装置，包括具有中空结构的盘状件、支承柱、网格件、沙粒，所述网格件嵌设支撑于所述中空结构中，所述支承柱穿设于所述盘状件和所述网格件并固定，所述沙粒填充散布在所述中空结构、支承柱、网格件构成的空间中。本发明的优点是：该吸能装置将外部的振动冲击能量转换为吸能装置内部各类摩擦的热能、挤压的内能和变形能，从而有效地提高了能量的吸收，极大提升了装置的吸能效果；同时该吸能装置能够重复使用，在多次冲击情况下，也有良好的吸能效果；该吸能装置可制成不同的形状和规格，材料成本低，且重量相对较轻，适合大规模生产和应用，具有良好的经济性。

Description

一种多材料嵌套复合结构吸能装置
技术领域
本发明涉及一种吸能装置，具体涉及一种复合结构吸能装置。
背景技术
目前在桥梁建筑、轨道交通、矿山、船舶和汽车制造等领域，工程技术人员广泛使用液压缓冲、薄壁构件等来吸收冲击所带来的能量，从而达到保护目标结构的目的。液压缓冲吸能的原理是冲击作用在液压器件上，利用油液的粘性阻尼作用，将部分冲击能量通过节流孔吸收转化为油液的热能并散发掉。液压缓冲装置结构复杂、维修不便、密封要求高，并且对环境温度变化敏感，生产成本和保养费用高。薄壁构件吸能是利用薄壁结构在受到外力时变形乃至压溃吸收和消耗冲击能量，其结构相对简单，但薄壁结构受冲击塑性变形乃至压溃，仅能承受一次冲击，不能用于交变冲击，不能重复使用。
随着对高分子材料性能研究的深入，科学家和工程技术人员尝试利用纤维增强高聚物等材料来达到吸能效果。这些材料在受到外载荷时，通过大变形、屈曲等原理来吸收能量，并进一步转变为内能耗散。这些材料在受到线性、低速冲击时能够较好地实现吸能效果，然而一旦受到非线性、高速冲击时，其吸能效果就会大幅度下降，主要原因在于应力区域化和材料响应速度慢。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用高分子材料制成的多材料嵌套复合结构吸能装置，多次冲击、重复使用的情况下，也能保持良好的吸能效果。
技术方案：一种多材料嵌套复合结构吸能装置，包括具有中空结构的盘状件、支承柱、网格件、沙粒，所述网格件嵌设支撑于所述中空结构中，所述支承柱穿设于所述盘状件和所述网格件并固定，所述沙粒填充散布在所述中空结构、支承柱、网格件构成的空间中。
本吸能装置的原理是：吸能装置通过支承柱固定在基座上，盘状件外侧壁与运动部件相连，当盘状件受到冲击时产生挠曲，其内部的网格件也发生变形，而填充的沙粒在外力作用下产生流动，沙粒相互之间发生挤压和摩擦、沙粒与网格件产生挤压和摩擦、沙粒与盘状件的中空结构表面产生挤压和摩擦，从而使得很大部分的能量转换为前述各类挤压和摩擦的变形能和热能，从而极大地提高了吸能装置的吸能效果。
进一步的，所述中空结构的表面设有锯齿，所述锯齿凸出于所述中空结构的表面或内凹于所述中空结构的表面，所述锯齿设于所述中空结构的至少两个面上，所述锯齿的齿形为三角形、梯形、矩形或渐开线形，通过锯齿可以大幅增加中空结构的表面积，即增加了与沙粒的接触面积，以增加吸能效果，并且能适当控制沙粒流动。
进一步的，所述盘状件为具有刚度和弹性的高分子材料，具体为天然橡胶、合成橡胶、改性橡胶、天然树脂或合成树脂，所述支承柱、网格件为具有散热性的耐磨金属材料。
进一步的，所述网格件的网格结构为立方结构、六方结构或金刚石晶体结构。
金属网格件主要有三方面作用：一是网格件提供了与沙粒的摩擦，提升吸能效果；二是促进了沙粒摩擦产生的热量通过支承柱、网格件快速散出，有效改善了吸能装置的散热效果，抑制了盘状件在使用中的温度变化，保证盘状件在吸能装置使用时的温度稳定性，从而保证了高分子材料的力学性能，提高了吸能装置的稳定性；三是能够增强网格件与盘状件的中空结构上下表面的连接力，保证沙粒在其中流动的有序性而不至产生局部堆积。当外力卸载后，由于盘状件和网格件的良好弹性，吸能装置可以迅速恢复原形，可以在交变冲击环境下使用，并且可以多次重复使用。
进一步的，所述沙粒为山沙、河沙或者海沙，颗粒度为粗沙、中沙、细沙或者特细沙，所述沙粒的填充量为所述中空结构、支承柱、网格件构成的空间容积的50％-80％，沙粒在该空间中可以流动，同时沙粒具有重复吸能的使用特性。
进一步的，所述盘状件、网格件构成的单元为单个或至少两个。
进一步的，所述支承柱穿设于所述盘状件、网格件构成的单元的中心位置。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：该吸能装置将外部的振动冲击能量转换为吸能装置内部各类摩擦的热能、挤压的内能和变形能，从而有效地提高了能量的吸收，极大提升了装置的吸能效果；同时该吸能装置能够重复使用，在多次冲击情况下，也有良好的吸能效果；该吸能装置可制成不同的形状和规格，材料成本低，且重量相对较轻，适合大规模生产和应用，具有良好的经济性。
附图说明
图1为本发明吸能装置结构示意图；
图2为本发明吸能装置使用状态示意图；
图3为本发明吸能装置一个工作行程的吸能示意图；
图4为本发明吸能装置针对有无网格件，在使用状态时的力学性能对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种多材料嵌套复合结构吸能装置，如附图1所示，包括盘状件1、支承柱2、网格件3、沙粒4，盘状件1内部具有中空结构11，中空结构11的表面设有锯齿12，网格件3的网格结构为立方结构、六方结构或金刚石晶体结构等，网格件3嵌设于中空结构11内并与其表面支撑固定，支承柱2穿设于由盘状件1和网格件3构成的单元并固定，沙粒4填充散布在中空结构11、支承柱2、网格件3构成的空间中，填充量为空间容积的50％-80％，使沙粒具有流动的富余空间。
锯齿12的齿形可以是三角形、梯形、矩形或渐开线形等，以中空结构11的表面为基准线，可以是凸出于该表面向盘状件内的，或者是内凹于该表面向中空结构内的，用于增加中空结构表面的表面积，锯齿12最好是设于中空结构11的上表面、下表面、侧面的至少两个面上。
由盘状件1和网格件3构成的单元可以设置一个，或者上下排布设置两个或多个。盘状件1的形状、尺寸、厚度，以及内部的中空结构的形状、尺寸、厚度等，均可以设计为各种规格，没有过多限制。盘状件最好是圆盘、矩形盘等对称、规则的形状，以便于支承柱穿设于盘状件、网格件构成的单元的中心位置。
盘状件1是具有一定刚度和弹性的高分子材料，具体来说可以是天然橡胶、合成橡胶、改性橡胶、天然树脂或合成树脂。支承柱2、网格件3是具有一定散热性的耐磨金属材料，具体来说可以是钢材。沙粒4是山沙、河沙或者海沙，颗粒度为粗沙、中沙、细沙或者特细沙，不同沙种、颗粒度可以混合。各种材料成本低，且重量相对较轻。
如附图2所示，吸能装置通过支承柱固定在基座上，盘状件外侧壁与运动部件相连，当盘状件受到冲击时产生挠曲，其内部的网格件也发生变形，而填充的沙粒在外力作用下产生流动。外部输入吸能装置的能量，转换为吸能装置弹性结构的变形能、沙粒之间的摩擦挤压的内能以及沙粒和吸能装置其他结构摩擦挤压的内能，这个原理可以用如下公式表示：
W＝U＝EP+Ei1+Ei2
其中W为外界做的功，U是装置储存能量变化，EP是盘状件和网格件的变形能，Ei1为沙粒相互之间发生挤压和摩擦产生的内能，Ei2为沙粒与网格件产生挤压和摩擦、沙粒与盘状件的中空结构表面产生挤压和摩擦产生的内能。吸能装置在受力过程中存储的弹性变形能在卸载时向外释放，而由于挤压和摩擦产生的内能则大部分耗散在周围环境中。
根据图2，图3所示为吸能装置工作过程中行程支反力曲线，加载行程曲线与坐标轴包围的面积即表示外力对吸能装置做的功，卸载行程曲线与坐标轴包围的面积即表示吸能装置对外做的功，两部分面积之差(即图3中阴影部分)即一个工作行程中消减的能量。
网格件增强了与盘状件的中空结构上下表面的连接，防止了沙粒在工作过程中局部堆积，沙粒与网格件摩擦挤压消减了能量，同时网格件良好的导热性使得摩擦挤压产生的热能可以迅速消散到周围环境中，抑制了整个吸能装置尤其是盘状件的温度变化，保证了盘状件力学性能，进而保证了吸能装置的工作稳定性。附图4所示为吸能装置针对有无网格件，在使用状态时的力学性能对比图。
盘状件和网格件的良好弹性，以及沙粒的流动性，保证了吸能装置在外力卸载后，可以迅速恢复原状，使得吸能装置可以应对交变冲击，并且可以多次重复使用。

Claims (10)

1.一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：包括具有中空结构(11)的盘状件(1)、支承柱(2)、网格件(3)、沙粒(4)，所述网格件(3)嵌设支撑于所述中空结构(11)中，所述支承柱(2)穿设于所述盘状件(1)和所述网格件(3)并固定，所述沙粒(4)填充散布在所述中空结构(11)、支承柱(2)、网格件(3)构成的空间中。
2.根据权利要求1所述的一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：所述中空结构(11)的表面设有锯齿(12)，所述锯齿(12)凸出于所述中空结构(11)的表面或内凹于所述中空结构(11)的表面，所述锯齿(12)设于所述中空结构(11)的至少两个面上。
3.根据权利要求2所述的一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：所述锯齿(12)的齿形为三角形、梯形、矩形或渐开线形。
4.根据权利要求1所述的一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：所述盘状件(1)为具有刚度和弹性的高分子材料，所述支承柱(2)、网格件(3)为具有散热性的耐磨金属材料。
5.根据权利要求4所述的一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：所述盘状件(1)的材料为天然橡胶、合成橡胶、改性橡胶、天然树脂或合成树脂。
6.根据权利要求1所述的一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：所述网格件(3)的网格结构为立方结构、六方结构或金刚石晶体结构。
7.根据权利要求1所述的一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：所述沙粒(4)为山沙、河沙或者海沙，颗粒度为粗沙、中沙、细沙或者特细沙。
8.根据权利要求1所述的一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：所述沙粒(4)的填充量为所述中空结构(11)、支承柱(2)、网格件(3)构成的空间容积的50％-80％。
9.根据权利要求1所述的一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：所述盘状件(1)、网格件(3)构成的单元为单个或至少两个。
10.根据权利要求1所述的一种多材料嵌套复合结构吸能装置，其特征在于：所述支承柱(2)穿设于所述盘状件(1)、网格件(3)构成的单元的中心位置。
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