CN107606019B - 一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，包括加载块、双层端封翻转结构和固定平台；双层端封翻转结构为采用韧性材料制成的双层嵌套结构，双层嵌套结构的一端通过封盖封闭；加载块的加载端端面形状与端面封盖形状对应，且加载端端面宽度不大于双层嵌套结构中内层与外层之间的间隔宽度；加载块的加载端端面与双层端封翻转结构端面封盖对齐并固定连接，另一端与固定平台固定连接。本发明提出的结构能明显改善传统压溃结构的载荷‑位移曲线载荷峰值大，平台阶段波动大，吸能效率低以及比吸收能量低等缺点，还改善了传统单翻转结构吸能效率较低的缺点。

Description

一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构

技术领域

本发明涉及抗冲击吸能结构设计技术领域，具体为一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，具有有摩擦和无摩擦两种方式。

背景技术

随着现代科学技术的不断进步，各类运载工具(如汽车、列车、飞行器、船舶、电梯、升降机)便利了人们的日常生活，然而随之而来的是各类碰撞事故频发。碰撞事故会使载具上的设备损坏和使载具内人员伤亡。原因主要有：碰撞过程中载具产生较大的加速度，从而使设备承受巨大过载产生破坏，以及使人体承受剧烈冲击而导致器官破坏；如果吸能装置不能满足要求，还会产生二次碰撞；载具结构刚度不足引发载具内室碰撞变形过大，直接引起设备或成员受到过度挤压。载具碰撞事故造成的巨大损失使碰撞防护研究的重要性日益突出，汽车、列车、飞行器、船舶、电梯、升降机等运载工具的耐撞性成为当今科学家及工程师的一项重要研究课题。

结构耐撞性是指在碰撞发生过程中，通过结构件本身适当的刚度强度以及能量吸收能力，保护设备或乘员免受碰撞带来的伤害的能力。碰撞发生后，结构和乘员或承载物受到的伤害程度则是评价结构本身的耐撞性的标准，伤害越小则耐撞性越好。在重要结构中使用缓冲吸能元件是使其满足耐撞性要求的重要手段。在碰撞过程中，吸能元件可以通过塑性变形、脆性断裂等破坏形式来消耗碰撞冲击能量。其中金属材料主要依靠塑性屈曲变形吸收能量，复合材料则可通过脆性断裂来耗散冲击能。

目前，关于吸能元件的研究主要是通过合理的结构设计和材料应用来保证碰撞事故中的人员与重要部件得到有效保护。在实际工程应用中，出于对安全防护的考虑，对吸能结构的设计有着相关法规和严格规范。设计良好的吸能元件可以使吸能过程以可控、可预见的方式进行，使能量以合理的方式耗散，不但能完全吸收设计要求的碰撞能量，同时必须将碰撞冲击力控制在一定范围。吸能元件结构形式以及相应的吸能效能的研究对提高碰撞安全性具有重要意义。

目前吸能装置主要以金属薄壁结构为主，以压溃变形吸收碰撞冲击能。影响该结构的吸能效率的因素主要有管壁材料的力学性能、横截面形式以及载荷性质等。在轴向载荷作用下，薄壁结构的变形模式主要包括：渐进叠缩变形模式，Euler变形模式以及混合变形模式(张立玲,高峰金.金属薄壁吸能结构耐撞性研究进展[J].机械工人：热加工,2006,1:76-78)。渐进叠缩变形包括“折叠式”或“手风琴式”变形和“钻石模式”变形，“折叠式”或“手风琴式”变形是塑性变形从结构一处有序地扩展，轴对称的变形称为“折叠式”或“手风琴式”变形，非轴对称的变形成为“钻石模式”变形。Euler变形模式初始变形首先在中部形成第一个塑性铰，之后出现较大的横向位移，吸能效率很低。混合变形模式则是在初始阶段发生渐进叠缩变形，形成一个或者多个塑性铰，之后转变为Euler变形模式，吸能效率也较低。以上的薄壁结构变形模式中吸能效率最高的渐进叠缩变形模式也有一些缺陷，具体是在叠缩过程中载荷-位移曲线波动较大。Sharifi等人的研究显示，双层压溃管比等质量的单层压溃管具有更好的抗冲击性能(S.Sharifi,M.Shakeri,H.E.Fakhari,and M.Bodaghi,“Experimental investigation of bitubal circular energy absorbers under quasi-static axial load,”Thin-Walled Structures,vol.89,pp.42-53,2015.)。此外，Vinayagar等人的实验结果表明他们研究的单层压溃管的比能量吸收为(5.862kj/kg)，通过对同等质量双层压溃管的几何形状进行改进，相比同等质量的单层压溃管，比能量吸收提高了14％(K.Vinayagar,and A.S.Kumar,“Crashworthiness analysis of doublesection bi-tubular thin-walled structures,”Thin-Walled Structures,vol.112,pp.184-193,2017.)。Nia和Khodabakhsh已经对相同质量的单层管压溃结构和双层同心管压溃结构进行了系统比较，表明双层管压溃结构的能量吸收比单层管压溃结构要高(A.A.Nia,and H.Khodabakhsh,“The effect of radial distance of concentric thin-walled tubes on their energy absorption capability under axial dynamic andquasi-static loading,”Thin-Walled Structures,vol.93,pp.188-197,2015.)。在2017年的研究表明，通过对压溃管的端部进行封闭可以提高压溃管的能量吸收特性，并且平顶封端的压溃管比其他形状封端的压溃管吸收的能量更多(A.P.Kumar,and M.N.Mohamed,“Crush Performance Analysis of Combined Geometry Tubes under AxialCompressive Loading,”Procedia Engineering,vol.173,pp.1415-1422,2017.)。Niknejad和Tavassolimanesh已经使用封端的压溃管使其具有更好抗冲击性能并使其压溃过程中的载荷-位移曲线的平台阶段更稳定(A.Niknejad,and A.Tavassolimanesh,“Axialcompression of the empty capped-end frusta during the inversion progress,”Materials&Design,vol.49,pp.65-75,2013)。

翻转管的变形模式不同于以上的薄壁结构的变形模式，它是通过管向内或向外卷曲，拉伸或压缩还有弯曲来吸收能量的，不会产生塑性铰，载荷-位移曲线稳定，作为一种有效的吸能构件具有非常优越的吸能特性，但目前国内相关研究仅限于传统的简单构型。

翻转管无论是向内或者向外翻转时都要耗散能量。这种工艺过程可以用于设计可塌陷的驾驶杆或者其他能量吸收装置。这种装置的一个关键优点是能够获得作用力不变的稳定状态，这对能量吸收来说是非常理想的。管子翻转可以借助模具或者不需要模具实现，后者称为自由翻转。模具翻转是利用模具对管材施加轴向压力从而使圆管的外沿发生翻转变形，按照外沿翻转工艺的不同可以分为圆管外翻、内翻，如图1所示。自由翻转模式的研究最早是源于翻管工艺的需要，自由翻转是通过对管材进行预成型处理，采用夹具夹持管材一端，对另一端进行加载使其发生拉伸变形，同样自由翻转也包含外翻和内翻两种情况，如图2所示。由于模具翻转过程中试件未成型部分不断受到模具接触反力的作用，容易发生屈服失稳现象，所以必须综合考虑到材料的几何尺寸、强度刚度、模具的倒角与半径、接触面摩擦力等因素。而自由翻转过程是使试件变形区不断受到拉伸载荷的作用，因此相对于模具翻转其成型过程更加稳定可控。

典型的外翻转和内翻转的载荷-位移曲线分别如图3(a)和图3(b)所示。这两条曲线显示了非常相似的特点：它们都有两个初始峰值，随后是作用力基本稳定的恒定状态。当位移大约达到管径一半时，作用力开始变得恒定。在初始过渡阶段模具翻转和自由翻转的变形过程相对稳定，并具有理想吸能特性。但模具翻转过程容易出现失稳情况，同时结构相对复杂，并不利于在吸能装置中的应用。而自由翻转过程是通过拉伸管壁，稳定性较好。同时该结构可以单纯依靠管件自身的翻转吸能，不需要外加的变形导向机构。

翻转管吸能结构广泛应用于航空航天以及交通运输等领域。20世纪60年代，美国宇航局率先将翻转式缓冲吸能器运用到航天飞行器的软着陆过程。1970年，美国通用汽车将圆管翻转机制运用到汽车驾驶杆的设计当中，在汽车发生碰撞时对乘员起到很好的保护作用，如图4所示。之后美国军方在UH-60黑鹰武装直升机的座椅中安装翻转管吸能器支架，在战争中大大降低了因为直升机坠毁导致的人员伤亡数，如图5所示。

韩国Sung Woo Hitech公司开发的两款车用吸能盒装置采用了翻转变形机制，如图6与图7所示。图6结构是将泡沫材料填充于双侧翻转管结构当中，结构采用对称设计。碰撞发生时吸能盒两端同时发生翻转变形，大大提高了吸能量。后期泡沫材料发生挤压而产生结构膨胀，使得翻转终止后结构能够继续吸收碰撞能，提高了有效工作行程。图7结构将复合材料管嵌套在翻转管前端，当发生碰撞时，翻转管发生翻转变形，同时复合材料管发生压溃皱缩变形，两种变形模式大大提高了碰撞吸能量。

发明内容

如背景技术中所述，各类运载工具如汽车、列车、飞行器、船舶、电梯、升降机等发生碰撞事故会使载具上的设备损坏和使载具内人员伤亡，主要原因主要是：碰撞过程中载具产生较大的加速度，从而使设备承受巨大过载产生破坏，以及使人体承受剧烈冲击而导致器官破坏；如果吸能装置不能满足吸能要求，还会剧烈回弹产生二次碰撞碰撞。因此需要需要在载具上安装具有抗冲击作用的吸能结构来吸收冲击能量，并在吸能的过程中产生尽量小的峰值载荷且能够吸收足够多的冲击能量。

传统压溃结构采用单层圆管，不仅载荷位-移曲线波动较大，而且吸能效率比较低。背景中提到的端封压溃管也是单层压溃管，虽然载荷位移曲线波动较小，但是吸能效率仍然比较低。而且采用渐进叠缩变形模式的薄壁结构的载荷-位移曲线的波动比采用翻转变形模式的吸能结构的载荷-位移曲线波动要大。然而传统的翻转管吸能结构只是单层管单翻转变形，吸能效率仍比较低，不能更好的满足当前的一些抗冲击要求；而且结构形式只能设计为管状，应用范围窄，在实际工程产品应用中对产品结构设计有很大的约束。

为解决现有技术存在的问题，本发明针对翻转吸能形式及相关吸能结构设计进行研究探索，提出了一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封吸能结构，该结构可应用于汽车、列车、飞行器、船舶、电梯、升降机中的吸能结构，在碰撞安全工程领域中发挥重要作用。相比目前大多数的吸能结构，该结构不仅可以吸收足够的能量，而且吸能效率极高。

本发明的技术方案为：

所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：包括加载块、双层端封翻转结构和固定平台；

所述双层端封翻转结构为采用韧性材料制成的双层嵌套结构，所述双层嵌套结构的一端通过封盖封闭，且双层嵌套结构中的内层以及外层结构与封盖的连接部位均有倒角；

所述加载块的加载端端面形状与双层端封翻转结构端面封盖形状对应，且加载端端面宽度不大于双层嵌套结构中内层与外层之间的间隔宽度；

所述加载块的加载端端面与双层端封翻转结构端面封盖对齐并固定连接，加载端端面宽度方向的两侧边均处于双层嵌套结构内层与外层之间或分别与双层嵌套结构内层及外层对应平齐；

所述双层端封翻转结构另一端与固定平台固定连接。

进一步的优选方案，所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：双层端封翻转结构的截面形状为任意形状的环形或圆弧过渡的波纹带状。

进一步的优选方案，所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：所述任意形状的环形包括方形环形、矩形环形、椭圆环形、六边形环形、三角形环形。

进一步的优选方案，所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：所述韧性材料采用铝合金、塑料或韧性复合材料。

进一步的优选方案，所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：加载块的加载端端面与双层端封翻转结构端面封盖采用焊接，胶接或螺栓连接方式固定连接。

进一步的优选方案，所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：双层嵌套结构中的内层以及外层结构与封盖连接部位的倒角为圆倒角或变曲率的倒角。

有益效果

本发明提出的吸能效率极高的能量吸收结构，该结构能明显改善传统压溃结构的载荷-位移曲线载荷峰值大，平台阶段波动大，吸能效率低以及比吸收能量低等缺点，还改善了传统单翻转结构吸能效率较低的缺点。具体数据可参照具体实施方式中试验数据。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：模具翻转示意图；(a)外翻；(b)内翻；

图2：自由翻转示意图；(a)外翻；(b)内翻；

图3：翻转过程载荷-位移曲线；(a)外翻；(b)内翻；

图4：美国通用汽车翻转式驾驶杆；(a)碰撞前；(b)碰撞后；

图5：美国UH-60黑鹰武装直升机翻转式座椅支架；

图6：韩国Sung Woo Hitech公司翻转式吸能盒；(a)外观轴视图；(b)C-C断面截面图；(c)冲击变形图；

图7：韩国Sung Woo Hitech公司翻转式吸能盒二；(a)外观轴视图；(b)C-C断面截面图；(c)冲击变形图；

图8：双层端封压溃结构详图；

其中：1、端部封盖；2、加载块；3、双层端封翻转结构；4、固定平台；5、双层端封翻转结构外层；6、双层端封翻转结构内层；7、端部封盖的外侧倒角；8、端部封盖的内侧倒角；

图9：不同几何形状的双层端封结构；

图10：SingleBuck实验件的渐进变形模式；

图11：SingleBuck实验件的载荷-位移曲线；

图12：BuckBuck实验件的渐进变形模式；

图13：BuckBuck实验件的载荷-位移曲线；

图14：InvInv实验件的渐进变形模式；

图15：InvInv实验件的载荷-位移曲线；

图16：SingleInv实验件的渐进变形模式；

图17：SingleInv实验件的载荷-位移曲线；

图18：FrInvFrInv实验件的渐进变形模式；

图19：FrInvFrInv实验件的载荷-位移曲线；

图20：吸能效率对比；

图21：总能量吸收对比；

图22：比能量吸收对比；

图23：平均载荷对比；

图24：最大行程对比；

图25：峰值载荷对比。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图8所示，本发明提出的具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构包括加载块、双层端封翻转结构和固定平台。

所述双层端封翻转结构为采用韧性材料制成的双层嵌套结构，所述双层嵌套结构的一端通过封盖封闭，且双层嵌套结构中的内层以及外层结构与封盖的连接部位均有倒角；倒角可以是圆倒角，也可以是变曲率等多种形状的倒角。

所述加载块的加载端端面形状与双层端封翻转结构端面封盖形状对应，且加载端端面宽度不大于双层嵌套结构中内层与外层之间的间隔宽度。

所述加载块的加载端端面与双层端封翻转结构端面封盖对齐并通过焊接，胶接或螺栓连接方式固定连接，加载端端面宽度方向的两侧边均处于双层嵌套结构内层与外层之间或分别与双层嵌套结构内层及外层对应平齐。

所述双层端封翻转结构另一端与固定平台固定连接。

如图9所示，双层端封翻转结构的截面形状为任意形状的环形或圆弧过渡的波纹带状。所述任意形状的环形包括方形环形、矩形环形、椭圆环形、六边形环形、三角形环形。

双层端封双翻转结构的工作方式和吸能原理为：结构有加载块部分的一端受到轴向冲击载荷，载荷通过刚度较大的加载块部分传到端封结构的封盖上，由于加载块部分与翻转结构连接处的截面形状和翻转结构的端部封盖形状对应且宽度小于或等于翻转结构内层与外层之间的间隔宽度，使得结构的内层向外翻转，外层向内翻转，翻转结构主要通过拉伸和弯曲来耗散冲击能量，翻转结构在翻转过程中不会产生折叠变形，因此载荷-位移曲线稳定。翻转过程从端盖外沿向内翻转开始，直到端盖接触到底部固定平台结束，翻转行程主要由翻转结构的高度或加载块部分的高度决定。双层端封双翻转吸能结构分为有摩擦和无摩擦两种结构，具体为：无摩擦结构的加载块部分的切面宽度一致，且宽度小于翻转结构内层与外层之间的间隔宽度，在翻转过程中，翻转结构的已翻转部分不会和未翻转部分紧密接触，不会在翻转过程中产生较大的摩擦；有摩擦结构的加载块部分的切面宽度不一致，与端盖连接的一端较窄，沿另一端方向逐渐变宽到某一范围，然后不发生变化；或加载块部分的切面宽度一致，但宽度等于翻转结构内层与外层之间的间隔宽度，在翻转过程中，翻转结构的已翻转部分会和未翻转部分紧密接触，会在翻转过程中产生较大的摩擦，甚至翻转结构受到加载块的侧向挤压产生侧向变形。有摩擦结构在翻转过程中会比无摩擦结构吸收更多的能量。

本实施例中，设计五种实验件进行压溃实验数值仿真，实验件尺寸如表1所示，SingleBuck实验件为屈曲变形模式的单层管，BuckBuck实验件为内外管均为屈曲变形模式的双层管，InvInv实验件为内外管均为翻转变形模式的双层管，SingleInv实验件为翻转变形模式的单层管，FrInvFrInv内外管均为翻转变形模式且翻转部分与管壁发生摩擦的双层管。InvInv和FrInvFrInv实验件为本发明所提出的新型吸能结构。实验件所用材料为6061-T6铝合金，其密度为2703kg/m³，杨氏模量为68.9GPa，拉伸屈服应力为276MPa，极限拉伸应力为310MPa，泊松比为0.33。对样本代号为Single的实验件的真实实验和数值仿真结果进行对比，如表2所示，证明了数值模拟的准确性。

表1实验件尺寸

对样本代号为SingleBuck的实验件的真实实验和数值仿真结果进行对比，如表2所示，证明了数值模拟的准确性。

表2实验测试与数值仿真的能量吸收结果

SingleBuck实验件的渐进变形模式和载荷-位移曲线分别如图10和图11所示，BuckBuck实验件的渐进变形模式和载荷-位移曲线分别如图12和图13所示，InvInv实验件的渐进变形模式和载荷-位移曲线分别如图14和图15所示，SingleInv实验件的渐进变形模式和载荷-位移曲线分别如图16和图17所示，FrInvFrInv实验件的渐进变形模式和载荷-位移曲线分别如图18和图19所示。实验结果如表3所示。图20～25展示了不同实验件能量吸收指标的对比。

表3仿真实验结果

样本代号	SingleBuck	BuckBuck	InvInv	SingleInv	FrInvFrInv
						峰值载荷(KN)	97.9	68.69	40.6	65.7	68.8
最大行程(mm)	109.29	109.9	148.1	147.2	146.9
						平均载荷(KN)	40.14	31.22	38.46	60.1	64.3
能量吸收(J)	4387.4	3431.3	5718.3	8851.2	9545.3
						比吸能(KJ/kg)	19.5	13.15	21.9	34.7	36.8
吸能效率(％)	41.0	45.5	94.7	91.5	93.5

压溃吸能结构在被压缩时会形成一层一层的褶皱，在每个褶皱形成之后，释放能量，引起力-位移曲线的波动，随着褶皱的形成，褶皱开始重叠直至质密化载荷陡增。

翻转吸能结构只会在初始阶段形成卷曲时产生一些波动，在卷曲形成后，由于载荷非常稳定，所以吸能效率及高，达到90％以上，并且不会产生质密化，因此行程也较大。

结果表明和传统的吸能结构相比，本发明提出的双翻转结构峰值载荷几乎等于平均载荷，吸能效率作为衡量吸能结构能量吸收性能最重要的指标，有摩擦和无摩擦结构吸能效率分别等于94.7％和93.5％，接近理想的吸能100％，高于其他吸能结构；最大压溃行程长度分别为148.1mm和146.9mm几乎等于翻转管长度150mm；比能量吸收分别为21.9kj/kg和36.8kj/kg，大于单层压溃管19.5kj/kg和双层压溃管13.1kj/kg；载荷-位移曲线在达到平台后几乎没有波动。

其中有摩擦吸能结构吸收能量比无摩擦吸能结构吸收能量更多，比吸收能量也更大。传统的单翻转吸能结构，能量吸收效率最高只能达到90％左右，并且只能为管状结构，不能为带状，否则会发生失稳，而本发明提出的双层端封双反转吸能结构不仅可以设计为管状，也可以设计为带状。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：包括加载块、双层端封翻转结构和固定平台；

所述双层端封翻转结构为采用韧性材料制成的双层嵌套结构，所述双层嵌套结构的一端通过封盖封闭，且双层嵌套结构中的内层以及外层结构与封盖的连接部位均有倒角；

所述加载块的加载端端面形状与双层端封翻转结构端面封盖形状对应，且加载端端面宽度不大于双层嵌套结构中内层与外层之间的间隔宽度；

所述加载块的加载端端面与双层端封翻转结构端面封盖对齐并固定连接，加载端端面宽度方向的两侧边均处于双层嵌套结构内层与外层之间或分别与双层嵌套结构内层及外层对应平齐；

所述双层端封翻转结构另一端与固定平台固定连接。

2.根据权利要求1所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：双层端封翻转结构的截面形状为任意形状的环形或圆弧过渡的波纹带状。

3.根据权利要求2所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：所述任意形状的环形包括方形环形、矩形环形、椭圆环形、六边形环形、三角形环形。

4.根据权利要求1所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：所述韧性材料采用铝合金、塑料或韧性复合材料。

5.根据权利要求1所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：加载块的加载端端面与双层端封翻转结构端面封盖采用焊接，胶接或螺栓连接方式固定连接。

6.根据权利要求1所述一种具有高效缓冲吸能特性的双层端封双翻转吸能结构，其特征在于：双层嵌套结构中的内层以及外层结构与封盖连接部位的倒角为圆倒角或变曲率的倒角。