CN110056592A - 一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，包括锥形管件与箍环，所述锥形管件的大端与被保护体联接，其小端承受撞击载荷，所述箍环设置于锥形管件侧壁。该防撞吸能装置通过在管壁上添加周向箍环来增强薄管结构，使其更易于产生风琴模式的变形，从而提高其防撞吸能性能；采用锥形管件可以有效降低初始峰值压缩力，使得压缩曲线更加平稳；采用箍环可以控制变形模式，使管件更易于发生风琴式的渐进折叠变形，且通过控制箍环的内径可以改变箍环之间的距离，从而改变折叠变形的褶皱长度。

Description

一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置

技术领域

本发明涉及一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置。

背景技术

不论对高速行驶的交通工具，还是对桥墩、建筑壁面等被撞对象，撞击都是造成其破坏的常见原因，设计合适的防撞吸能装置或措施一直是重要的工程议题。衡量吸能构件的表现有以下几个指标：1、比吸收能，2、较低的初始峰值压缩力，3、稳定可重复的变形形态，一般是渐进式屈曲。薄壁金属管件由于具有比吸收能高、变形形态稳定、成本低等优点，被广泛应用于防撞吸能结构。通用的薄壁管件存在初始压缩力峰值大、抵抗倾斜载荷能力低、变形不稳定等不足。近年来，随着车辆尾气排放标准的提高，以及逐渐普及的电动汽车中电池对重要和空间的占用，有必要研发具有更高比吸收能，同时更紧凑、更省空间的吸能结构。许多学者尝试通过改变管件构型来强化吸能性能，比如引入锥角，引入端部触发缺陷，加入隔板，引入环向挖槽，引入加强筋，填充入泡沫、木屑、蜂窝结构等填充物，开孔、开窗，引入管壁的预折纹，采用多胞结构，采用阶梯管，采用变厚度、变密度设计，等等。研究发现，引入锥角的管件可以在不降低吸收能量的同时，有效降低初始的峰值压缩力。此外，锥形管件还能够增强结构的变形稳定性，使得结构不易发生整体屈曲，这一优点在倾斜撞击情况下更为明显。因此，锥形管件拥有优秀的防撞吸能性能。

金属圆管是研究最为充分的薄壁管吸能结构，其变形模式有渐进式折叠、简单压缩、翻转、开裂、整体屈曲等。研究表明，管件发生哪种变形模式取决于管径、厚度、长度等几何参数和变形硬化模量等材料参数。而管件的吸能性能与变形模式密切相关。简单压缩模式压缩力过大，压缩行程过短，整体屈曲模式会使压缩力急剧减小，这两种变形模式都不利于防撞吸能。相反，渐进式折叠拥有较长的压缩行程和较稳定的压缩力，是有效的吸能变形模式。更进一步，渐进式折叠变形又可以分为风琴(即轴对称折叠)和钻石(即非轴对称折叠)两种模式。实验和模拟发现，风琴模式比钻石模式能够吸收更多的能量，且拥有更好的稳定性，是最理想的吸能变形模式。薄管吸能构件应尽量设计成使其变形以风琴模式为主。

已有的设计主要通过挖槽方法来影响薄管吸能结构的变形模式。挖槽即在薄管外壁或内壁上沿环向挖出浅槽，使槽所在位置的刚度降低，压溃变形时易在挖槽处形成环形塑性铰，从而使管壁变形倾向于风琴模式。这种方法虽然能有效控制薄管结构的变形模式，但会损害管壁强度，一定程度上降低结构的吸收能量，并且挖槽需要进一步的机械加工，增加了制造成本。因此，有必要对这种防撞吸能装置进行改进，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，以提升吸能性能。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，包括锥形管件与箍环，所述锥形管件的大端与被保护体联接，其小端承受撞击载荷，所述箍环设置于锥形管件侧壁。

进一步，所述锥形管件为圆锥形薄壁金属管，所述箍环为圆形金属箍环。

根据需要，所述箍环固定于所述锥形管件的外壁或/和内壁。

优选地，所述箍环沿所述锥形管件的周向延伸，并沿所述锥形管件的轴向等间距排布。

在一个实施例中，所述箍环与所述锥形管件之间施加预紧应力，使箍环与锥形管件侧壁紧密接触；在另一个实施例中，所户箍环与所述锥形管件之间施加点焊，使箍环与锥形管件侧壁固定连接。

在一个实施例中，所述箍环的横截面为圆形或梯形；在另一个实施例中，所述箍环的内侧或外侧具有环面，环面与锥形管件的外壁或内壁的倾斜角保持一致，使环面与锥形管件的外壁或内壁紧密接触。

本发明的优点在于：

1.该防撞吸能装置通过在管壁上添加周向箍环来增强薄管结构，使其更易于产生风琴模式的变形，从而提高其防撞吸能性能；

2.采用锥形管件可以有效降低初始峰值压缩力，使得压缩曲线更加平稳；

3.采用箍环可以控制变形模式，使管件更易于发生风琴式的渐进折叠变形，且通过控制箍环的内径可以改变箍环之间的距离，从而改变折叠变形的褶皱长度；

4.箍环和锥形管件之间容易紧密接触，方便组装，箍环的个数、环间距等参数都可以根据需要调节，使得变形模式灵活可控，且不会过多增加制造成本。

附图说明

图1是本发明提出的基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置的结构示意图之一；

图2是图1的剖视图；

图3是该防撞吸能装置的结构示意图之二；

图4是图3的剖视图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例1：

如图1、图2所示，该装置由一个圆锥形管件1和若干圆形箍环2嵌套组成，圆锥形管件的半锥角为5度，管长185mm，管的大端外径为70mm，管壁厚度为1mm，圆形箍环的横截面为直径2mm的圆形，圆形箍环直径成等差数列增大，以使圆形箍环之间间距相等。

根据Alexander基于二段线折叠构型的理论预测，单个褶皱长度为：

故相邻圆形箍环之间的半径差为Hsinα＝1.96mm≈2mm。具体实施时，可以取半径分别为20、22、24、26、28、30、32、34mm的圆形箍环。圆形箍环可由强化钢丝在圆形模具上弯曲制成，在端头焊接。圆形箍环与圆锥形管件的管壁之间紧密接触，可以施加预紧应力，使圆锥形管件与圆形箍环之间不易分离。也可以沿圆形箍环的周向选取若干点进行点焊接，将圆形箍环固定在圆锥形管件上。

实施例2：

如图3、图4所示，该装置由一个圆锥形管件1和若干多边形截面的圆形箍环2嵌套组成。圆锥形管件的几何尺寸同实施例1。圆形箍环的横截面为一边长2mm的直角梯形，其斜边的倾斜角为5度，以使该圆形箍环的对应侧面与锥形管紧密贴合。在圆锥形管件外壁面和内壁面分别嵌套若干圆形箍环，圆形箍环和圆锥形管件的接触面保持同样倾斜角，以使两者紧密接触。

具体实施时，可以在圆锥形管件的外壁和内壁轮流嵌入圆形箍环，相邻圆形箍环的间距保持相等。圆形箍环可由强化方形钢丝在圆形模具上弯曲制成，在端头焊接。然后用车刀车出制定角度的锥面。该示例箍环与圆锥形管件的管壁之间能够自然紧密接触，不用施加预紧力或焊接。

实施例2的吸能强化效果预计比实施例1好，但是由于其圆形箍环侧面为锥形面，加工成本更高。

以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，其特征在于：

包括锥形管件与箍环，所述锥形管件的大端与被保护体联接，其小端承受撞击载荷，所述箍环设置于锥形管件侧壁。

2.根据权利要求1所述的一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，其特征在于：

所述锥形管件为圆锥形薄壁金属管，所述箍环为圆形金属箍环。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，其特征在于：

所述箍环固定于所述锥形管件的外壁或/和内壁。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，其特征在于：

所述箍环沿所述锥形管件的周向延伸，并沿所述锥形管件的轴向等间距排布。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，其特征在于：

所述箍环与所述锥形管件之间施加预紧应力，使箍环与锥形管件侧壁紧密接触。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，其特征在于：

所户箍环与所述锥形管件之间施加点焊，使箍环与锥形管件侧壁固定连接。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，其特征在于：

所述箍环的横截面为圆形或梯形。

8.根据权利要求1或2所述的一种基于箍环增强和锥形管件的防撞吸能装置，其特征在于：

所述箍环的内侧或外侧具有环面，环面与锥形管件的外壁或内壁的倾斜角保持一致，使环面与锥形管件的外壁或内壁紧密接触。