CN108266480A - 一种梯度深度刻槽缓冲吸能元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碰撞及能量吸收领域，具体公开了一种梯度深度刻槽缓冲吸能元件，包括若干厚壁管和至少一个薄壁管；厚壁管与薄壁管均沿轴向间隔设置并连接成一个整体，厚壁管的内管中心轴线与薄壁管的内管中心轴线重合；每个薄壁管两端均连接有厚壁管，所有薄壁管的轴向长度均相等；不同薄壁管的径向厚度均沿轴向梯度变化。本发明的厚壁管与薄壁管均沿轴向间隔设置并连接成一个整体，所有薄壁管的轴向长度均相等，不同薄壁管的径向厚度均沿轴向梯度变化，使得压溃皱褶从最薄一段至最厚一段依次发生；使得压溃皱褶发生的位置更加精确控制。

Description

一种梯度深度刻槽缓冲吸能元件及其制备方法
技术领域
本发明属于碰撞及能量吸收领域，具体涉及一种梯度深度刻槽缓冲吸能元件。
背景技术
在航空航天、汽车、轨道车辆、高速公路防撞设施、核电站等实际工程中，缓冲吸能元件的能量吸收行为对承受撞击结构的安全性起着关键的作用。由于安全防护的需要，缓冲吸能元件需具备吸能效果好、质量轻、压溃行程长等特点，其结构形式必须尽量简单且易于工业制造和批量生产。
目前，传统的缓冲吸能元件以薄壁构件为主，其中薄壁管类构件的轴向压溃吸能被认为是最有效的方式之一，且最常用的薄壁管截面形状有圆形、方形、帽形等。经试验和理论验证，圆截面薄壁管在同工况下的吸能效果明显优于其它类型的薄壁管。然而，传统的圆截面管在压溃过程中极易发生非轴对称失稳，现有的多级压溃的优势在于可以根据撞击力的不同选择被结构被压溃的部分。
然而，大多现有的吸能结构，一方面，不能够有效控制吸能管压溃皱褶的发生位置，存在大量的不确定性，这将在碰撞过程中产生不可预见的隐患。另一方面，就目前的技术现状而言，很多理论上吸能效果较好且能够实现多级吸能功能的结构难以批量生产且造价昂贵。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种梯度深度刻槽缓冲吸能元件及其制备方法；能够准确控制压溃皱褶的发生位置并且容易制造。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种梯度深度刻槽缓冲吸能元件，其特征在于，包括若干厚壁管和至少一个薄壁管；厚壁管与薄壁管均沿轴向间隔设置并连接成一个整体，厚壁管的内管中心轴线与薄壁管的内管中心轴线重合；每个薄壁管两端均连接有厚壁管，所有薄壁管的轴向长度均相等；不同薄壁管的径向厚度均沿轴向梯度变化。
所述厚壁管与薄壁管的内径均相同。
所述厚壁管与薄壁管的截面均设置成圆形或矩形或椭圆形。
所述每个厚壁管的厚度均相同。
所述不同薄壁管的径向厚度尺寸沿轴线方向呈等差数列或等比数列变化设置。
一种制备方法，其特征在于，使用机械冷加工制备所述吸能元件。
所述机械冷加工为通过车床或铣床或者两者结合的加工方式，在管材的外管面刻槽，形成厚壁管和薄壁管间隔分布的形式，最终加工成所述的吸能元件。
一种制备方法，其特征在于，使用3D打印制备所述吸能元件，对于固态金属材料的吸能元件使用激光烧结法制备，对于固态非金属材料的吸能元件采用光固化成型法制备。
所述固态非金属材料为PVC或树脂。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的厚壁管与薄壁管均沿轴向间隔设置并连接成一个整体，所有薄壁管的轴向长度均相等，不同薄壁管的径向厚度均沿轴向梯度变化，使得压溃皱褶从最薄一段至最厚一段依次发生；使得压溃皱褶发生的位置更加精确控制。本发明吸能元件容易批量制造，并且对材料种类要求低，造价便宜。
进一步地，本发明的厚壁管与薄壁管的内径均相同，内径相同使得吸能元件的受力更加稳定，压溃皱褶发生位置更能按照预期部位发生。
进一步地，本发明的厚壁管与薄壁管的截面均设置成圆形或矩形或椭圆形，圆形或矩形或椭圆形形状规则，受力稳定，压溃皱褶发生位置更能按照预期部位发生。
进一步地，本发明的每个厚壁管的厚度均相同，相同厚度的薄壁管使得制造更加方便，受力更加稳定。
进一步地，本发明的不同薄壁管的径向厚度尺寸沿轴线方向呈等差数列或等比数列变化设置，呈等差数列或等比数列变化使得变化量函数变化，制备方便，压溃皱褶发生位置更加容易控制。
进一步地，本发明还公开了一种制备方法，使用机械冷加工制备所述吸能元件，制造方便。
进一步地，本发明的机械冷加工为在管材的外管面刻槽，形成厚壁管和薄壁管间隔分布的形式，这种加工方法取材方便，直接由市面上销售的无缝管进行冷加工得到，无需重新开模制造，制造成本低。
进一步地，本发明的使用3D打印制备所述吸能元件，3D打印的吸能元件，制造精确，能够制造形状复杂的吸能元件，满足吸能元件使用现场的要求。
进一步地，本发明的固态非金属材料为PVC或树脂，材料性能可靠，吸能效果好。
附图说明
图1为本发明梯度深度刻槽缓冲吸能元件的侧部示意图；
图2为本发明实施例梯度深度刻槽吸能管同尺寸的普通圆截面吸能管轴向受压产生的非轴对称压溃模式。
图3为本发明实施例梯度深度刻槽吸能管同尺寸的均匀刻槽吸能管轴向受压产生的压溃模式。
图4为本发明实施例梯度深度刻槽吸能管轴向受压产生的多级压溃模式。
图5为本发明实施例同尺寸下普通圆截面吸能管、均匀刻槽吸能管、梯度深度刻槽吸能管轴向压溃时的力—位移曲线。
图中：1为薄壁管，2为厚壁管，L为管长，DO为厚壁管外径，DI为厚壁管内径，W为厚壁管的轴向长度，w薄壁管的轴向长度，d0为初始刻槽深度，di第i个刻槽的深度，di+1第i+1个刻槽的深度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1-5；一种梯度深度刻槽缓冲吸能元件，其特征在于，包括若干厚壁管2和至少一个薄壁管1；厚壁管2与薄壁管1均沿轴向间隔设置并连接成一个整体，厚壁管2的内管中心轴线与薄壁管1的内管中心轴线重合；每个薄壁管1两端均连接有厚壁管2，所有薄壁管1的轴向长度均相等；不同薄壁管1的径向厚度均沿轴向梯度变化。
所述厚壁管2与薄壁管1的内径均相同。
所述厚壁管2与薄壁管1的截面均设置成圆形或矩形或椭圆形。
所述每个厚壁管2的厚度均相同。
所述不同薄壁管1的径向厚度尺寸沿轴线方向呈等差数列或等比数列变化设置。
一种制备方法，其特征在于，使用机械冷加工制备所述吸能元件。
所述机械冷加工为通过车床或铣床或者两者结合的加工方式，在管材的外管面刻槽，形成厚壁管2和薄壁管1间隔分布的形式，最终加工成所述的吸能元件。
一种制备方法，其特征在于，使用3D打印制备所述吸能元件，对于固态金属材料的吸能元件使用激光烧结法制备，对于固态非金属材料的吸能元件采用光固化成型法制备。
所述固态非金属材料为PVC或树脂。
薄壁管1的外管与其两端连接的厚壁管2的外管沿轴向形成刻槽空间；刻槽宽度等于薄壁管1轴线长度，刻槽深度为厚壁管厚度与薄壁管厚度之差。
所述梯度深度刻槽缓冲吸能元件为梯度深度刻槽吸能管，所述梯度深度刻槽吸能管沿轴向包括若干交替分布的刻槽和厚壁，其中每个厚壁部分的宽度相同、壁厚相同，每个刻槽的宽度相同，深度沿管的一端以预定的梯度深度逐渐变化，且厚壁部分总是位于所述梯度深度刻槽吸能管的两端。
进一步地，所述梯度深度刻槽吸能管的截面可为圆形、矩形、椭圆形等任意几何形状。
进一步地，所述梯度深度刻槽吸能管可采用不锈钢、铝合金等金属材料，也可采用PVC、树脂等非金属材料。
进一步地，所述梯度深度刻槽吸能管承受撞击的方式为轴向和与轴向成一定角度的斜冲击，且管的两端均可承受撞击力。
进一步地，所述梯度深度刻槽吸能管的刻槽个数N可选择大于1的任何数值。
进一步地，其特征在于，所述刻槽的深度梯度η的表示方法可为等差数列η＝di+1-di、等比数列或其它任何导致整体刻槽深度产生不均匀效应的函数或方法，其中di为第i个刻槽深度，di+1为第i+1个刻槽深度。
进一步地，所述梯度深度刻槽吸能管在壁厚方向的几何参数应满足等式ti+di＝T，其中di为第i个刻槽深度，ti为第i个刻槽处的壁厚，T为厚壁部分的壁厚。
进一步地，所述梯度深度刻槽吸能管的制备方法为机械冷加工和3D打印方法。
进一步地，所述梯度深度刻槽吸能管的机械冷加工制备方法可遵循以下步骤：
S1、根据实际所需的截面形状和截面尺寸购买无缝管备用；
S2、将购买的无缝管根据实际所需管长进行裁切；
S3、将裁切好的无缝管通过机床(车床、铣床等)按照所需的梯度深度进行刻槽加工；
S4、将加工完毕的梯度深度刻槽吸能管进行打磨，去除毛刺。
进一步地，所述梯度深度刻槽吸能管的3D打印制备方法可遵循以下步骤：
S1、使用Solidworks、UG、Pro/E等CAD软件建立梯度深度刻槽吸能管的三维数据模型；
S2、将S1建立的梯度深度刻槽吸能管三维数据模型转换为可被3D打印机识别的stl格式；
S3、将S2生成的stl格式模型输入3D打印机并使用选择性激光烧结法(主要针对金属材料)或光固化成型法(主要针对非金属材料)进行3D打印；
S4、将3D打印好的梯度深度刻槽吸能管从机器中取出，并刷去所有残留粉末。
此外，在后续的实施实例中，所选择的几何参数及有限元仿真结果均有试验数据验证，可充分保证结果的准确性。
本发明的申请人在后续的实施例一中对比了本发明所述的缓冲吸能元件与传统圆管和均匀刻槽圆管(无深度梯度)在准静态压溃过程中的吸能效果和压溃模式，本发明所述的梯度深度刻槽吸能管具有较好的吸能效果和渐进压溃的方式。该结构会在深度数值最大的刻槽处最先发生压溃，并以渐进压溃的形式逐渐发生变形，并在力-位移曲线上表现出明显的多级压溃特性。通过合理设计其几何参数可进一步增强吸能效率，实现结构轻量化设计。
本发明产品结构简单，可装配性强，可作为独立的缓冲吸能元件，在特定用途下，可实现多个梯度深度刻槽缓冲吸能元件协同工作。
本发明产品制备工艺简单，可直接由市面上销售的无缝管进行冷加工得到，无需重新开模制造。同时，本发明产品的备选材料广泛，可采用不锈钢、铝合金等金属材料，也可采用PVC、树脂等非金属材料。
如图1所示，在本实施例中，梯度深度刻槽缓冲吸能元件为梯度深度刻槽圆截面吸能管(简称梯度深度刻槽管)。该实施例中刻槽的个数为5个，其中底部三个刻槽的深度相同，顶部两个刻槽的深度相同，刻槽的深度d按照等差数列的形式发生变化(η＝d3、4、5-d1、2＝-0.5mm)。为验证梯度深度刻槽管的优势，将其与同尺寸、材料的普通圆截面吸能管和均匀刻槽管进行对比，分析三种类型的吸能管在轴向准静态压溃工况下的吸能效果，本实施例选取的具体尺寸如表1所示，表中几何参数的单位均为(mm)。
表1
验证本发明所述的梯度深度刻槽管的优越性需通过Abaqus/Explicit软件进行有限元仿真试验，其中，有限元仿真参数设置如下：
普通圆管、均匀刻槽管、梯度深度刻槽管均采用软钢制备，其密度均为7.83，弹性模量均为210GPa，泊松比均为0.3，材料屈服强度均为372MPa，材料极限强度均为526MP。管的底部放置于一固定的刚性板之上，另一刚性板从发生碰撞的方向以1mm/min的恒定速度进行加载，目的是借助准静态试验研究低速冲击下三类吸能管的吸能特性及压溃模式。计算中三类管与刚性板均使用基于罚函数法的通用接触，摩擦因数取0.15。为保证Abaqus/Explicit在准静态压溃下的计算效率，使用系统最低阶模态与平滑幅值曲线结合的方式提高计算速度。
图2为普通圆截面吸能管的压溃模态，可直观地观察到圆管已发生非轴对称失稳。由于圆管非轴对称压溃模式的随机性较强且能量吸收效率较低，用于车辆或防撞垫等较为精密结构的吸能元件时会产生较大的不确定性。当管长进一步增加时，还有可能出现更不稳定的欧拉屈曲模式。因此，在此类吸能元件的设计中因尽量避免产生圆管的非轴对称压溃模式。
图3为均匀刻槽吸能管的压溃模态，可直观地观察到均匀刻槽管在压溃过程中比普通圆管更加稳定，所有薄壁部分均发生轴对称压溃模式。然而，均匀刻槽吸能管发生压溃的部位较难控制，由图3可知，最先发生压溃的部位位于加载端的第二个刻槽处，第二次压溃发生在加载端的第一个刻槽处，其次压溃固定端的第二个刻槽等。因此，此吸能结构在保证稳定性的同时依旧未解决压溃时皱褶产生部位的随机性。
图4为梯度深度刻槽吸能管的压溃模态，可直观地观察到梯度深度刻槽管在具备均匀刻槽管稳定性优点的同时，还可稳定形成轴向渐进压溃的变形模式。由图4可知，最先发生压溃的部位位于深度为2.5mm的刻槽处，且将这两个刻槽处的薄壁部分完全压溃后才开始压溃下方三个刻槽深度为2mm处的薄壁部分。刻槽深度越大，即薄壁管厚度越小的部分，越先压溃。
图5为同尺寸下普通圆截面吸能管、均匀刻槽吸能管、梯度深度刻槽吸能管轴向压溃时的力—位移曲线，经对比可知梯度深度刻槽吸能管的力位移曲线有两个明显的平台，且第一个平台与均匀刻槽吸能管基本重合，第二个平台的力值有着明显的上升，整体上梯度深度刻槽吸能管具有良好的多级吸能特点。
为对比梯度深度刻槽管与均匀刻槽管的能量吸收能力，表2总结了图5中力-位移曲线呈现的数据，梯度深度刻槽管的总吸能比均匀刻槽管多31.93％，梯度深度刻槽管的压溃距离比均匀刻槽管少4.17％，梯度深度刻槽管的平均压溃力比均匀刻槽管高37.66％。
表2
本实施例中梯度深度刻槽吸能管的冷加工制备方法可遵循以下步骤：
S1、购买市售壁厚为4mm的软钢无缝圆管若干备用；
S2、根据表1所述尺寸，将无缝圆管按照规定管长L＝144mm进行裁切；
S3、将裁切好的无缝圆管通过车床按照表1所述的刻槽特征(N＝5、w＝16.8mm、d0＝2.5mm，η＝di+1-di＝-0.5mm)进行加工得到梯度深度刻槽管。
S4、将加工完毕的梯度深度刻槽吸能管进行打磨，去除毛刺。
综上所述，相比同尺寸的均匀刻槽管，梯度深度刻槽管在大幅提升能量吸收效率的同时，还能够提供更加稳定的、可控的多级变形模式。此外，本实施例所述的梯度深度刻槽管还有加工简单，成本低廉的优势。
薄壁管1的外管与其两端连接的厚壁管2的外管沿轴向形成刻槽空间；不同刻槽空间的轴向长度和径向深度尺寸沿轴线方向梯度变化。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种梯度深度刻槽缓冲吸能元件，其特征在于，包括若干厚壁管(2)和至少一个薄壁管(1)；厚壁管(2)与薄壁管(1)均沿轴向间隔设置并连接成一个整体，厚壁管(2)的内管中心轴线与薄壁管(1)的内管中心轴线重合；每个薄壁管(1)两端均连接有厚壁管(2)，所有薄壁管(1)的轴向长度均相等；不同薄壁管(1)的径向厚度均沿轴向梯度变化。
2.根据权利要求1所述的梯度深度刻槽缓冲吸能元件，其特征在于，所述厚壁管(2)与薄壁管(1)的内径均相同。
3.根据权利要求1所述的梯度深度刻槽缓冲吸能元件，其特征在于，所述厚壁管(2)与薄壁管(1)的截面均设置成圆形或矩形或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的梯度深度刻槽缓冲吸能元件，其特征在于，所述每个厚壁管(2)的厚度均相同。
5.根据权利要求1所述的梯度深度刻槽缓冲吸能元件，其特征在于，所述不同薄壁管(1)的径向厚度尺寸沿轴线方向呈等差数列或等比数列变化设置。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的梯度深度刻槽缓冲吸能元件的制备方法，其特征在于，使用机械冷加工制备所述吸能元件。
7.根据权利要求6所述的梯度深度刻槽缓冲吸能元件，其特征在于，所述机械冷加工为通过车床或铣床或者两者结合的加工方式，在管材的外管面刻槽，形成厚壁管(2)和薄壁管(1)间隔分布的形式，最终加工成所述的吸能元件。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的梯度深度刻槽缓冲吸能元件的制备方法，其特征在于，使用3D打印制备所述吸能元件，对于固态金属材料的吸能元件使用激光烧结法制备，对于固态非金属材料的吸能元件采用光固化成型法制备。
9.根据权利要求8所述的梯度深度刻槽缓冲吸能元件，其特征在于，所述固态非金属材料为PVC或树脂。
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