CN109826892B - 一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，包括杆形吸能模块(1)和组装支架(2)，所述杆形吸能模块由多稳态薄壁波纹管与等直径导向连杆连接而成，所述组合结构由若干所述杆形吸能模块在所述组装支架上阵列排布形成，所述杆形吸能模块轴线相互平行，与冲击方向一致，互不干涉，其底面阵列排布形成方形平面，与冲击方向垂直，可以重复承受冲击载荷。本发明的优点是：可重复利用；可存储冲击信息；可对吸能模块的排列密度、伸长高度和阵列排布进行调整，从而实现不同的吸能抗冲击需求。

Description

一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构

技术领域

本发明涉及吸能装置，更确切的说，是涉及一种以多稳态薄壁波纹管制成的吸能模块为核心的可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，属于先进结构和材料设计制造领域。该吸能装置适用于车辆、火车等交通工具与航天器、空投物品的抗撞击防护系统，或核能设施的抗爆炸冲击防护系统。

背景技术

冲撞、爆炸等事故会导致结构在强冲击载荷的作用下发生破坏，造成严重的生命和财产损失，因此如何根据结构受冲击后的整体性能，提出合理的设计方案及制定固定或临时安装的有效防护措施，设计性能优异的抗冲击吸能装置，已成为结构安全防护中的热门课题。

自上世纪60年代早期开始，各式各样的吸能设计被广泛应用于抗坠撞吸能环境中。其中较为典型的压溃圆管、滚环、切削金属等吸能设计方便有效，已投入到实际应用中。然而，这一类的自身变形吸能装置通过自身结构的变形和破坏起到吸能保护作用，结构变形会干涉到正常结构，从而引起二次伤害，维护、拆装成本大大增加。

为克服以上缺陷，工程中通常采用一系列改进后的方法作为抗坠撞设计结构。一方面，以缓冲吸能式结构为主：液压缓冲吸能，吸能效率较高，工作稳定，且复原方便，但缺点是其结构复杂，造价较高，不便修复；橡胶式缓冲吸能，造价便宜，安装方便，但寿命短且承载能力有限；弹簧式缓冲吸能，使用范围广，但在缓冲过程中，弹簧的弹性势能需要得到释放，会对安装座和相关设备造成较大的反力，容易造成不良影响。

另一方面，金属薄壁结构由于具有质量轻、变形稳定、成本低廉、吸能效率高等良好特性，目前也被广泛运用于抗坠撞结构设计中。但同时也存在一定限制：在发生轴向塑性变形时，叠缩的管壁相对于未变形管壁会发生向内或向外折曲，管壁形状无法复原，更换成本较高；不能记录任何瞬时冲击信息；无法根据需求设计定制化抗坠撞装置。因此目前的薄壁抗撞结构在一定程度上并不能满足相关需求。

因此，针对以上问题，寻找一种可重复使用，可存储坠撞信息，可根据需求快速、高效地搭建起安全可靠的抗冲击系统，从而降低拆装、使用和修复成本，是当下亟待解决的任务。

发明内容

针对现有缓冲吸能装置所存在的问题，本发明旨在提供一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，它为可设计、可重复使用、可记忆形变的能量吸收装置，为冲击碰撞爆炸的防护提供更为方便、快捷、经济、安全的保障。

本发明所采用的技术方案为：

它包括吸能模块和组装支架，所述吸能模块由多稳态薄壁波纹管与等直径导向连杆连接形成，所述组合结构由若干所述模块在所述组装支架上阵列排布形成，模块轴线相互平行，与冲击方向一致，互不干涉，并可以承受较高强度的冲击。

所述模块单元由两部分组成：多稳态薄壁波纹管及等直径导向连杆。导向连杆的外径d略小于多稳态薄壁波纹管内径D，间隙配合保证连杆在多稳态薄壁波纹管内能够相对运动；所述模块单元连杆的长度l与多稳态薄壁波纹管弯曲螺纹长度L满足l>3L；所述模块单元的多稳态薄壁波纹管原始长度L，完全展开的长度约为2L。为保证系统内各部件不发生干涉，应使支撑阵列的上下底板间距h满足：h>2L。

本发明的原理在于：

可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，整体为多稳态薄壁波纹管模块阵列组装的组合结构，核心为多稳态薄壁波纹管，通过对薄壁圆管上的波纹进行一系列优化设计，使得波纹管具备多稳态、可恢复、吸能效率高等特性。薄壁波纹在展开的过程中，通过局部波纹壳的可逆的弹性变形不断消耗能量，达到耗散冲击的作用。结构负刚度将弹性势能转化为动能，再通过高频的局部振动，将能量通过热和声音的形式耗散掉。完全展开的薄壁波纹，又可以恢复到初始状态，可以重复利用。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明为一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，设计了可重复使用的吸能装置。本发明可对吸能模块进行多种设计，实现不同的吸能抗冲击需求。通过改变阵列单元伸长的数量，达到改变装置的最大承力极限，从而满足不同的冲击强度；通过调整若干个阵列单元的伸长量以及分布形式，可以达到设计改变吸能装置的位移-载荷曲线特性，以满足不同工况下的力学要求；通过阵列式设计，与冲击物体形状相适应，减少剪切应力集中，从而避免保护物体和吸能装置本身的破坏。

2、本发明依赖薄壁波纹管的可恢复性，通过对吸能模块几何参数的设计，使得吸能装置在受到冲击后，能够方便、快捷地恢复至初始状态，实现可循环利用。一次拆装，重复利用，不仅降低了拆装成本，同时为安装该结构的设备的维修和养护节省了时间。

3、此外，本发明有冲击信息存储功能，冲击过程中力作用点的位移可被受冲击的吸能模块的伸长量所记忆，并形成冲击物体轮廓面，可以为事故分析提供冲撞信息。

附图说明

图1为本发明所涉及的组合结构示意图；

图2为本发明所涉及的组合结构横截面示意图；

图3为本发明所涉及的杆型吸能模块实物图；

图4为本发明所设计的组合结构组装示意图；

图5为双稳态单元有限元模拟加载曲线；

图6为多稳态模块实验加载曲线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例作对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括杆形吸能模块1和组装支架2，所述杆形吸能模块由多稳态薄壁波纹管与等直径导向连杆连接而成。薄壁波纹管，如图3 所示，形状类似于吸管，基本单元由上下两个圆柱截锥连接而成。这两个圆柱截锥内外径相同，高度不同，从而保证高度较小的部分变形后可以嵌入高度较大的部分，实现双稳态的可折叠的特性。导向连杆具有较大弯曲刚度，用以减少薄壁波纹管自由度，只允许其发生轴向位移，而没有横向变形。组装支架底面为方形平面，由两块相同孔板(如图2所示)通过螺杆连接的形式组合而成，如图4所示，可为吸能模块的阵列式排布提供支撑和必要的约束。所述吸能模块轴线相互平行，与冲击方向一致，互不干涉，在组合支架上形成等高矩阵，其横截面与冲击方向完全垂直。

在进行冲击试验时，需根据冲击物体的具体情况，通过预压缩，改变吸能模块中薄壁波纹管的伸长长度，并依照上述步骤安置在组装支架的基座上。通过此操作，可以改变该结构单位面积的有效承载模块的数量，可以有效提高该结构的能量吸收率，更易记录下分析所需的冲击信息。

当冲击试验完成后，根据变形后的具体情况，可以将吸能模块矩阵反向放置于基座，或者将被压缩的吸能模块中的薄壁波纹管反向推至初始状态，从而达到循环使用的目的。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，其特征在于：包括吸能模块和组装支架，吸能模块具有多稳态特性，可以在材料弹性变形范围内实现不同稳态间的可逆切换；吸能模块由两部分组成，即多稳态薄壁波纹管与等直径导向连杆；多稳态薄壁波纹管，具有类似吸管的褶皱形状，由若干双稳态基本单元串联而成；双稳态基本单元由上下两个圆柱截锥连接而成，所述两个圆柱截锥内外径相同，高度不同，从而保证高度较小的部分变形后可以嵌入高度较大的部分，实现双稳态的可折叠的特性；当对吸能模块进行拉压加载时，能量可通过可完全恢复的多稳态薄壁波纹管的弹性变形耗散掉；吸能模块的位移-载荷曲线表现为迟滞回线形状；多稳态薄壁波纹管具有多个稳定的长度，可以通过弹性变形在稳定长度间可逆切换；吸能模块轴线平行且等间距周期性排列，相邻模块互不干涉；每个吸能模块均可根据预计冲击能量的大小进行独立的高度调节以实现阵列组合结构的总体位移-载荷曲线调节；所述模块为阵列结构中的基本结构。

2.根据权利要求1所述的一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，其特征在于：所述吸能模块的导向连杆的外径d略小于薄壁波纹管内径D，保留适当间隙以保证导向连杆在薄壁波纹管内能够作相对运动。

3.根据权利要求1所述的一种可重复使用的多稳态吸能阵列组合结构，其特征在于：所述吸能模块的薄壁波纹管原始长度L，完全展开的长度约为2L；所述吸能模块的导向连杆的长度l与薄壁波纹管原始长度L满足l>3L；为保证系统内各部件不发生干涉，应使组装支架的上下底板间距h满足：h>2L。

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