CN109305120A - 一种装配式自锁型多胞能量吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明属于结构被动安全防护中的能量吸收领域，并公开了一种装配式自锁型多胞能量吸收器。该能量器中包括两组薄壁管且每组中的薄壁管结构尺寸相同，每个薄壁管的侧面均设置有开口，使得薄壁管呈非封闭结构，第一组中的两个开口薄壁管平行设置且开口相对，第二组中的两个薄壁管平行设置且开口相背，第二组正交嵌套于第一组中并形成四个空胞，同时使得能量吸收器的每个面均包括两层薄壁管的管壁；第二组和第一组相互穿过彼此的开口，以此实现两组之间的拼装，并形成自锁结构，该结构的每个面均包括两层管壁。通过本发明，提供的能量吸收器结构简单，比吸能率高，生产成本低。

Description

一种装配式自锁型多胞能量吸收器

技术领域

本发明属于结构被动安全防护中的能量吸收领域，更具体地，涉及一种装配式自锁型多胞能量吸收器。

背景技术

能量吸收结构广泛应用于汽车、船舶、航天航空等各个领域，作为发生碰撞时耗散冲击动能的主要构件。设计出具有良好性能的吸能器对于保障人民生命财产安全、节约能源、促进环保等方面具有重大的实际意义。

在目前的汽车设计中，通常是采用安装在汽车前部和尾部的保险杠系统来保证车厢结构框架在低速冲击荷载下不受严重破坏，从而保证车内乘员以及汽车主体结构的安全。为了尽可能的吸收撞击时的动能，在现在的保险杠系统设计中，往往会在保险杠横梁与汽车框架纵梁安装能量吸收器。在有些设计中，为了进一步提高保险杠系统的能量吸收能力，还会在保险杠横梁中并排若干个能量吸收器。在汽车相撞的过程中，能量吸收器能够吸收碰撞产生的动能，并将其不可逆的转化为材料的塑性变形能；公路碰撞衰减系统通常是设计成在迎面碰撞的条件下，使车辆逐渐减速，从而安全地停下来，或是在侧面碰撞情况下，使车辆改变方向以避免出现危险。世界上最常使用的公路防护栏系统是由安装在钢柱或者木柱上的镀锌W形钢梁(波形梁)组成，当车辆与安装在高速路边的防护栏系统碰撞时，车辆的动能将大部分耗散在波形梁与立柱(吸能构件)的变形上；由于能量吸收装置的不可逆能量转换特性，能量吸收器通常是一次性使用的物品，一旦有大变形，他们就要被抛弃更换。因此，在受到预算约束的条件下，低成本在能量吸收装置的设计中尤为重要。

为了提高能量吸收器的比吸能率，蜂窝型(多胞)截面形式被用于碰撞吸能器的设计中，比如专利名称为“汽车安全座椅用蜂窝吸能盒”，专利公开号为CN 205706266U，该专利公布了一种用在儿童安全座椅上的蜂窝吸能盒。专利名称为“一种多胞汽车缓冲吸能装置”，专利公开号CN104890604 A，该专利公布了一种梯度多胞汽车吸能缓冲装置，采用多胞形状构型，然而，上述两种吸能装置均需要先制备相应的模具，然后通过挤压成型才能制备处所需要的吸能装置，而且若吸能装置根据实际的应用每改变一次尺寸，则需要重新开模生产新的模具，由此产生高昂的费用；专利名称为“一种折痕式碰撞吸能盒”，专利公开号为CN 101638076A，该专利将引入折痕纹路的薄壁管件作为碰撞吸能盒，由于该专利所描述的折痕式碰撞吸能盒壁面可展开，而可采用加工半壳，再通过焊接形成整体结构，这种结构虽然理论上可以实现降低加工成本，但由于折叠结构为开口结构，要封闭需要采用焊接，而焊接部位材料性质改变在吸能器变形过程中容易导致一些如开裂，变形不对称等意外情况，使结构的能量吸收性能受到很大影响，此外这种结构仅对普通空管而言性能更好，与多胞结构对比，吸能效率仍差很多。

综上所述，目前有必要提出一种更加优化的设计，在满足高比吸能率(单位质量的能量吸收)、高荷载一致性(平均力/峰值力)系数的前提下，进一步降低加工以及安装成本，从而更好的满足能量吸收器的实际生产要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种装配式自锁型多胞能量吸收器，通过采用两组开口薄壁管进行拼装以形成自锁结构，由此解决能量吸收器制造、维护、安装成本高，能量吸收效率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，该能量器中包括两组薄壁管且每组中的薄壁管结构尺寸相同，每个薄壁管的侧面均设置有开口，使得薄壁管呈非封闭结构，第一组中的两个薄壁管平行设置且开口相对，第二组中的两个薄壁管平行设置且开口相背，该第二组正交嵌套于所述第一组薄壁管中，并形成四个空胞，同时使得所述能量吸收器的每个面均包括两层薄壁管的管壁；

此外，所述第二组和所述第一组通过相互穿过彼此的开口使得各组中的两个薄壁管相连，以此实现两组之间的拼装，并由此形成自锁结构。

进一步优选地，所述薄壁管的横截面为矩形。

进一步优选地，所述薄壁管的侧面上设置有凹槽或者开孔初始缺陷，降低所述能量吸收器的初始屈曲荷载。

进一步优选地，所述多胞能量吸收器在四个胞内填充多孔材料，该多孔材料包括泡沫材料、蜂窝材料、格栅材料或点阵材料。

进一步优选地，所述薄壁管优选采用金属材料或复合材料，其中，该薄壁管进一步优选采用金属薄壁板材折弯制成。

进一步优选地，所述开口的宽度不小于所述薄壁管厚度的两倍。

进一步优选地，所述第一组的薄壁管的开口宽度不小于该薄壁管壁厚的两倍，且该开口设置在该开口所在面的中心，所述第二组的开口与所述第一组的开口的宽度和位置均相同，所述第二组的薄壁管截面矩形的长度x和宽度y与第一组的薄壁管的长度L和宽度b的关系如下：

x＝2b-2t

y＝L/2-t

其中，t是薄壁管的壁厚。

进一步优选地，将一个能量吸收器作为一个单元，通过多个能量吸收器组合形成多单元的能量吸收器。

进一步优选地，所述能量吸收器的侧面设置有连接片，用于将该能量吸收器连接在外部装置上。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明既可以采用金属材料，也可以采用复合材料制备。通过采用由金属薄壁板材折弯而成的开口薄壁管，取代了传统能量吸收器挤压成型的制备工艺，降低了生产成本，大幅增加生产灵活性，尤其是当实际应用中需要对能量吸收器的尺寸进行调整时，挤压成型工艺需要重新定制模具，而本发明无需重新开模，降低了生产成本，而采用复合材料时，现有技术中多胞管结构的制备比本发明中开口薄壁管的制备要困难的多，成本更高；

2、本发明通过采用两组薄壁管，通过穿过彼此的开口实现两组薄壁管的嵌套连接，从而实现薄壁管的拼装并形成自锁结构，与现有的开口薄壁管相比，该拼装方式有着更加稳定且良好的变形模式，简单易行，也避免了开口薄壁结构容易整体屈曲失稳的问题，能量吸收率高；

3、本发明可以根据需要在装配后的多胞能量吸收器内部引入初始缺陷，解决了其他方式制备的多胞结构内部引入初始缺陷困难的问题，可以更有效的降低能量吸收过程中的峰值力，而该峰值力的降低，能有效的降低被保护对象所受到的伤害；

4、本发明采用装配自锁的结构形式，通过四个开口薄壁管之间的相互约束和自锁作用，有效防止结构变形过程中散开而导致的性能快速下降，现有的能量吸收器通常采用焊接或者铆接方式使薄壁管闭合，以防止变形过程中散开，本发明无需使薄壁管闭合，避免了焊接或铆接工序及其可能带来的各种不利影响，降低了加工成本，提高了整体性能；

5、本发明可以很方便的采用多孔材料进行填充，很好的提高结构的整体能量吸收性能。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器的截面示意图；

图3(a)和(b)是按照本发明的优选实施例所构建的两组薄壁管的尺寸关系示意图；

图4(a)～(d)是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器的拼装流程图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的薄壁管展开示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的多单元的能量吸收器结构示意图；

图7是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器轴向连接在外部装置上的结构示意图；

图8是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器纵向连接在外部装置上的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-能量吸收器2，3-第一组薄壁管4,5-第二组薄壁管7-初始缺陷10-折痕

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器的结构示意图，图2是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器的截面示意图，如图1和2所示，一种装配式自锁型多胞能量吸收器，该能量吸收器呈四棱柱状，中心形成十字形加强肋板，截面形状呈田字形，其包括两组开口薄壁管，装配形成截面为2×2四胞结构，每组薄壁管中的两个薄壁管结构和尺寸相同，其中，薄壁管2和3是第一组，薄壁管4和5是第二组，第二组设置在第一组中，第二组和第一组通过相互穿过彼此的开口使得各组中的两个薄壁管相连，以此实现两组之间的拼装，并由此形成自锁结构；每个薄壁管的截面呈矩形，且每个薄壁管的侧面均设置有开口，使其为非封闭的结构，其中，薄壁管2和3的截面尺寸一致，而薄壁管4和5的截面尺寸一致，薄壁管的开口宽度等于薄壁管壁厚的两倍，此时结构的整体性能最好，具有最好的能量吸收特性。

图3(a)和(b)是按照本发明的优选实施例所构建的两组薄壁管的尺寸关系示意图，如图3所示，第一组的薄壁管的开口宽度等于该薄壁管的壁厚t的两倍，且开口设置在该开口所在面的中心，第二组的开口与第一组的开口的宽度和位置相同，第二组的薄壁管截面矩形的长度x和宽度y与第一组的薄壁管的长度L和宽度b的关系如下：

本发明中的这种矩形截面开口薄壁管在单独受到轴向冲击载荷时，会发生整体屈曲破坏，结构会沿着开口处向外弯曲散开，而通过拼装后的装配式自锁型多胞结构在受到轴向冲击荷载时，结构中任意三个薄壁管都会对另一个薄壁管形成自锁约束效应，从而限制开口薄壁管向外展开，使得整体结构具有良好的能量吸收性能。这是一种易于制造，维护和安装成本低的能量吸收器，同时具备较高的比吸能率和低荷载均匀性系数。图4(a)～(d)是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器的拼装流程图，如图4所示，当薄壁管4和薄壁管5单独按图(b)所示放置时，两个薄壁管之间并不会形成有利的相互作用，但是当在薄壁管4和5的基础上拼装上薄壁管3和2时，在薄壁管2和3对薄壁管4和5形成约束的同时，薄壁管4和5之间也会形成强有力的相互约束，同理薄壁管2和3也由于薄壁管4和5的加入而形成十分有利的相互作用。

每个开口薄壁管可以直接通过金属板材折弯工艺获得，而初始缺陷则直接在金属板材上增加即可，或者，采用挤压成型或整体铸造工艺直接预制开口薄壁管。

薄壁管通过金属板材折弯工艺制造的具体的加工方法是：图5是按照本发明的优选实施例所构建的薄壁管展开示意图，如图5所示，在折弯前，先在金属板材上引入初始缺陷(预压纹路、凹槽或开孔等措施)，再根据制备开口薄壁管所需要的尺寸画上折痕标记(折痕即为折弯后形成四棱柱的四条棱边)，最后按照折痕将金属板材折弯，由此形成开口薄壁管。图5中10为折痕，7为能量吸收装置在受到轴向冲击荷载时引入的凹槽，其目的是为了降低能量吸收装置在发生大变形时的初始峰值力，从而降低事故中对保护对象的伤害。通常情况下，如果采用挤压工艺得到多胞管，其初始缺陷无法在结构内部引入，而本发明中，可以直接在折弯前的金属薄壁平板上引入凹槽或开孔，使得引入初始缺陷更为简单方便。

通过多个能量吸收器组合形成多单元的能量吸收器，例如，将多个尺寸相同的能量吸收器拼装在一起形成一个大的能量吸收器，或者将小尺寸的能量吸收器嵌套在大尺寸的能量吸收器的空胞中等，图6是按照本发明的优选实施例2×2四胞截面能量吸收器拓展形成的4×4十六胞截面能量吸收器结构示意图，如图6所示，制作四个尺寸较小的四胞能量吸收器，以及一个尺寸较大的四胞能量吸收器，令这四个较小的外径设置为略小于较大能量吸收器的内径。即刚好可以将四个小的四胞能量吸收装置填充于大的四胞能量吸收器中。从而形成了图6所示的4×4截面16胞装配式能量吸收器；另外，采用多孔材料(泡沫材料、蜂窝材料、格栅材料、点阵材料等)进行填充也是提高能量吸收装置吸能效率的有效手段，本发明可以很方便的采用多孔材料进行填充，以四胞装配式能量吸收装置为例，在四个胞内填充多孔材料(如泡沫铝、聚氨酯泡沫、蜂窝铝等材料)可以很好的提高结构的整体能量吸收性能。由于多孔材料对内部壁板的进一步约束，本发明结构变形的整体性更好，性能表现更为突出。

本发明提供的装配式自锁型多胞能量吸收器，结构成型简单，四个模块生产过程相互独立。另外，通常利用折弯工艺加工形成的结构，为了防止结构整体失稳变形，往往需要是开口闭合，并在闭合处进行焊接或者铆接，但无论是焊接还是铆接，都会增加工序并带来各种不利影响，降低结构的稳定性和能量吸收性能。本发明直接采用开口薄壁管，并不需要焊接或者铆接来使之闭合，而是通过四个薄壁管之间的约束作用，在变形过程中的自锁作用来提高整体性能，从而保证良好的能量吸收特性。采用折弯加拼装方式形成的吸能器，不仅保证了高比吸能，在增加初始缺陷，降低初始屈曲荷载上具有灵活多变的优点，同时大大降低了生产加工成本、安装成本。

与现有技术的多胞吸能器相比，本发明容易加工，易于引入初始缺陷，有较低的初始屈曲荷载，而与普通的折弯管相比，本发明装配形成的对称结构，整体性能好，变形模式稳定。另外，在连接实施方式上，本发明可以如图1直接使用，通过在端部进行焊接连接片使得能量吸收器与外部装置连接。也可以在折弯过程中，在折弯板上预留端部，通过轴向的预留端部与被保护对象(如汽车横梁、纵梁)进行(焊接、铆接等)连接，端部形式是管壁部分的自然延伸，整体性能好。也可以通过对能量吸收装置预留端进行焊接来连接到应用对象上。图7是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器轴向连接在外部装置上的结构示意图，图8是按照本发明的优选实施例所构建的能量吸收器纵向连接在外部装置上的结构示意图，如图7和8所示，能量吸收器通过在侧面设置连接片，连接在外部的装置上。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，

该能量器中包括两组薄壁管且每组中的薄壁管结构尺寸相同，每个薄壁管的侧面均设置有开口，使得薄壁管呈非封闭结构，第一组中的两个薄壁管平行设置且开口相对，第二组中的两个薄壁管平行设置且开口相背，该第二组正交嵌套于所述第一组中并形成四个空胞，同时使得所述能量吸收器的每个面均包括两层薄壁管的管壁；

此外，所述第二组和所述第一组通过相互穿过彼此的开口使得各组中的两个薄壁管相连，以此实现两组之间的拼装，并由此形成自锁结构。

2.如权利要求1所述的一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，所述薄壁管的横截面为矩形。

3.如权利要求1或2所述的一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，所述薄壁管的侧面上设置有凹槽或者开孔初始缺陷，降低所述能量吸收器的初始屈曲荷载。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，所述多胞能量吸收器在四个胞内填充多孔材料，该多孔材料包括泡沫材料、蜂窝材料、格栅材料或点阵材料。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，所述薄壁管优选采用金属材料或复合材料，其中，该薄壁管进一步优选采用金属薄壁板材折弯制成。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，所述开口的宽度不小于所述薄壁管厚度的两倍。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，所述第一组的薄壁管的开口宽度不小于该薄壁管壁厚的两倍，且该开口设置在该开口所在面的中心，所述第二组的开口与所述第一组的开口的宽度和位置均相同，所述第二组的薄壁管截面矩形的长度x和宽度y与第一组的薄壁管的长度L和宽度b的关系如下：

x＝2b-2t

y＝L/2-t

其中，t是薄壁管的壁厚。

8.如权利要求1-7任一项所述的一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，将一个能量吸收器作为一个单元，通过多个能量吸收器组合形成多单元的能量吸收器。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种装配式自锁型多胞能量吸收器，其特征在于，所述能量吸收器的侧面设置有连接片，用于将该能量吸收器连接在外部装置上。