CN110316120A - 一种复合材料Origami吸能折叠管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料Origami吸能折叠管，由从高度方向依次连接成一体的至少一个Origami预折纹模组组成，所述Origami预折纹模组采用包括复合材料在内的材料铺层叠合而成。与现有技术相比，本发明通过将Origami预折纹引入到复合材料圆管中，从材料铺层和几何结构设计两个层面进行改进，得到的复合材料Origami折叠吸能管具有低冲击支反力波动和高比吸能等吸能特性，市场应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于吸能折叠管技术领域，涉及一种复合材料Origami吸能折叠管。
背景技术
世界卫生组织的一份报告(2015)指出，每年约有120万人死于交通事故并造成多达5000万人受伤。此外，据预测，由于汽车市场的扩张，特别是在欠发达国家，道路交通伤害可能是到2020年导致疾病和伤害的第三大原因。除了对人类造成严重伤害之外，一旦发生撞击，往往会对所涉车辆的结构和周围环境造成灾难性损害。最常见方法是在结构中安装能量吸收装置，该装置设计用于在事故期间将动能全部或部分地转换成另一种形式的能量，从而使得重要的结构受到的冲击得到缓解。薄壁直管是最常用的能量吸收装置，主要分为金属薄壁直管和复合材料薄壁直管两种类型，其中当直管的截面为圆形时，能吸收最多的碰撞能量。
但是，薄壁圆管一直没有被大量运用的最主要因素就是高吸能的同时也存在很大的初始冲击的支反力波动，在碰撞过程中，这些支反力的波动都会直接转移到被保护的结构和乘客上。为了解决这个问题，世界各地的科学家进行了大量的研究，其中以Origami预折纹和金属圆管相结合的方式效果最佳，不仅使初始冲击的支反力波动大大减小，同时也能维持其相应的能量吸收不变甚至达到更高的水平。但金属管的比吸能(单位质量的能量吸收)却远低于复合材料圆管，这主要是受制于金属材料和复合材料的密度差异，因此在如今节能减排和追求轻量化的趋势下，能否提出一种复合材料吸能管的设计方法来解决这一问题至关重要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种复合材料Origami吸能折叠管，通过将Origami预折纹引入到复合材料圆管中，从材料铺层和几何结构设计两个层面进行改进，得到的复合材料Origami折叠吸能管具有低冲击支反力波动和高比吸能等吸能特性，市场应用前景广阔。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种复合材料Origami吸能折叠管，由从高度方向依次连接成一体的至少一个Origami预折纹模组组成，所述Origami预折纹模组采用包括复合材料在内的材料铺层叠合而成。
在本发明的一个具体的实施方式中，所述Origami预折纹模采用复合材料与复合材料、或复合材料与金属材料的铺层叠合而成。
在本发明的一个具体的实施方式中，所述复合材料采用碳纤维和/或凯夫拉纤维。
更具体的实施方式中，当复合材料采用碳纤维和凯夫拉纤维时，两者的混合铺层数的比为1：1。实验结果表明，纯碳纤维Origami折纹管虽然各方面吸能特性都超越了传统碳纤维圆管，但是碳纤维杨氏模量较高而且为脆性材料较容易发生脆性破坏，吸能效果不稳定；纯凯夫拉纤维Origami折纹管和传统圆管相比拥有较低的支反力波动幅度同时具有更高的抗冲击效率，但也具有较低的能量吸收的缺点，主要是因为凯夫拉纤维为延展性材料虽然有较大的断裂应变但杨氏模量偏小。所以通过这两种材料的混合来弥补单一材料的折叠管的性能缺陷。此外，通过研究发现，当两种纤维的混合比例接近1:1时，能得到最好的吸能效果。
在本发明的一个具体的有关结构改进的实施方式中，按从上到下的高度方向，所述Origami预折纹模组的厚度呈梯度增大。由于吸能管的上端在刚接触到碰撞时候，将会产生冲击支反力，此时如能将吸能管上端的结构刚度降低，则能有效降低初始冲击的冲击支反力，而复合材料梯度铺层可以通过调整上端某部分区域的铺层数量从而减小厚度达到快速降低刚度的目的；同时在吸能管的底层相应区域增加相应数量的铺层，从而使厚度增加，达到增加折叠管底部的刚度提升。折叠管上端和底部的铺层数量一减一增，总质量维持不变，但是却能明显的改善折纹管的吸能特性——降低初始最大冲击支反力和增加整体吸能能力。
在本发明的一个具体的有关结构改进的实施方式中，按从上到下的高度方向，所述Origami预折纹模组的高度呈梯度减小。这样，当遇到碰撞时，冲击波传递的区域减短，使冲击支反力波动幅度减小。
在本发明的一个具体的有关结构改进的实施方式中，按从上到下的高度方向，所述Origami预折纹模组的直径呈梯度减小或增大。当遇到碰撞时，冲击支反力传递的方向的主体结构的方向不平行，向两边呈一定角度传递，充分保护主体结构，由于这种结构设计的优势，其可用于斜方向碰撞冲击。
在本发明的一个具体的有关结构改进的实施方式中，所述Origami预折纹模组均通过一个平整平面折叠而来，其折纹线呈曲线，并分为横向内凹曲线，横向外凸曲线以及纵向弧线共3种。传统直线折纹带来的尖角容易产生局部应力集中，从而导致折叠吸能管局部发生破坏，从而影响折纹管整体的吸能效果，而调整成曲线折纹后，能较好的改善应力集中问题，从而提高复合材料折叠管整体吸能能力。上述有关结构改进的实施方式可以独立使用，也可以任意组合使用。
在本发明的一个具体的实施方式中，所述Origami预折纹模组所采用的Origami预折纹为Origami crash box预折纹、Cylindrical Origami预折纹或Diamond Origami预折纹。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、与现有金属吸能管(无论是金属圆管还是金属折叠管)相比，复合材料Origami折叠吸能管具有更高的比吸能。
二、与现有复合材料圆管相比，复合材料Origami折叠吸能管具有更低的最大初始冲击支反力波动和更好的能量吸收能力。
三、与现有复合材料圆管相比，复合材料Origami折叠吸能管具有更加突出的优化参数点，能达到更好更精确的碰撞反馈效果。
四、与现有复合材料圆管相比，经过直径变梯度设计的复合材料Origami折叠吸能管能应用在侧方向防撞上，我们知道大部分碰撞并不是正面碰撞，而是侧方向碰撞。
综上所述，该发明专利具有更好的吸能特性同时具有更加宽阔的应用前景。
附图说明
图1为Origami crash box预折纹的结构示意图；
图2为Cylindrical Origami预折纹的结构示意图；
图3为Diamond Origami预折纹的结构示意图；
图4为实施例1的复合材料Origami吸能折叠管的结构示意图；
图5为图4中的A-A剖视示意图；
图6为图5中圆圈部分的放大示意图；
图7为实施例2的复合材料Origami吸能折叠管的结构示意图；
图8为图7中的A-A剖视示意图；
图9为图8中圆圈部分的放大示意图；
图10为实施例3的复合材料Origami吸能折叠管的结构示意图；
图11为实施例4的复合材料Origami吸能折叠管的结构示意图；
图12为实施例5的复合材料Origami吸能折叠管(横向内凹曲线)的结构示意图；
图13为实施例5的复合材料Origami吸能折叠管(横向外凸曲线)的结构示意图；
图14为实施例5的复合材料Origami吸能折叠管(纵向弧线)的结构示意图；
图15为不同混合铺层的复合材料Origami吸能折叠管性能对比；
图中标记说明：
1-Origami预折纹模组，2-碳纤维，3-凯夫拉纤维，4-折纹线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出了一种复合材料Origami吸能折叠管，由从高度方向依次连接成一体的至少一个Origami预折纹模组1组成，Origami预折纹模组1采用包括复合材料在内的材料铺层叠合而成。Origami预折纹模组1均通过一个平整平面折叠而来，所采用的Origami预折纹为Origami crash box预折纹、Cylindrical Origami预折纹或Diamond Origami预折纹，分别参见图1-图3所示。
以下实施例中以Diamond Origami预折纹来举证说明。
实施例1
一种复合材料Origami吸能折叠管，其结构参见图4-图6所示，其采用碳纤维2和凯夫拉纤维3混合铺层得到Origami预折纹模组1，在本实施例中，碳纤维2和凯夫拉纤维3混合铺层数的比为1:1，即采用两层碳纤维2与两层凯夫拉纤维3逐层叠合的方式铺装。
在维持碳纤维与凯夫拉纤维总层数不变的前提下，分别通过仅更改碳纤维和凯夫拉纤维的层数设计两个单因素对比例，分别采用一层碳纤维与三层凯夫拉纤维的对比例1、三层碳纤维和一层凯夫拉纤维的对比例2，其中，1/4cccc+3/4kkkk(其余以此类推)表示1/4的纯碳纤维铺层(共4层，c表示碳纤维)支反力与冲击行程特性和3/4的纯凯夫拉纤维(共4层，k表示凯夫拉纤维)支反力与冲击行程特性的叠加之和。混铺效能表示使用混合铺层与使用不同比例纯纤维铺层叠加之和在吸能量上的差值。同样的，1/4kkkk+3/4cccc则正好相反。
衡量一根吸能管的吸能特性主要有四个指标：1)初始最大冲击支反力(Pmax)，2)抗冲击效率(CFE)，3)吸能量(EA)和4)比吸能(SEA)。
其中，δc表示最终的冲击行程，P(x)表示当冲击行程为xmm时的冲击支反力，也即EA等于冲击支反力与行程所包围的面的面积。Pmean是指平均冲击支反力。m表示吸能管被冲击区域的质量。)
从图15反馈的结果可知，其中，图15a对应对比例1，图15b对应本实施例，图15c对应对比例2，结果表明，当混合铺层数的比为1:1时即混合铺层为kcck时，混铺效能达到最大(190.4J)，也即说明当混合铺层数的比为1:1使，有最好的混合吸能效果。
实施例2
一种复合材料Origami吸能折叠管，其结构参见图7-图9所示，由从高度方向依次连接成一体的若干Origami预折纹模组1组成，按从上到下的高度方向，Origami预折纹模组1的厚度呈梯度增大，各Origami预折纹模组1的厚度差别采用所铺复合材料层的多少来实现，其中，最上方的Origami预折纹模组1的复合材料层数为两层，相邻两个Origami预折纹模组1的复合材料层数相差两层。
通过设计单因素对比实施例，计算结果表明，相比于未进行梯度铺层的Origami吸能折叠管(铺层为kcck)，其初始最大冲击支反力下降了41.9％，抗冲击效率提升了99.29％，比吸能提升了34.8％。从而说明了实施例2有效的降低了最大初始冲击支反力，提升了抗冲击效率的同时增加了整体吸能能力。
实施例3
一种复合材料Origami吸能折叠管，其结构参见图10所示，由从高度方向依次连接成一体的若干Origami预折纹模组1组成，按从上到下的高度方向，Origami预折纹模组1的高度呈梯度减小。
通过设计单因素对比实施例，计算结果表明，相比于未进行梯度高度改变的Origami吸能折叠管(铺层为kcck)，其初始最大冲击支反力下降了9.12％，抗冲击效率提升了14.6％，比吸能提升了9.0％。从而说明了实施例3有效的降低了最大初始冲击支反力，提升了抗冲击效率的同时增加了整体吸能能力。
实施例4
一种复合材料Origami吸能折叠管，其结构参见图11所示，由从高度方向依次连接成一体的若干Origami预折纹模组1组成，按从上到下的高度方向，Origami预折纹模组1的直径呈梯度增大。
通过设计单因素对比实施例，计算结果表明，相比于未进行梯度高度改变的Origami吸能折叠管(铺层为kcck)，其初始最大冲击支反力下降了17.5％，抗冲击效率提升了34.34％，比吸能提升了45.16％。从而说明了实施例4有效的降低了冲击支反力波动幅度，提升了抗冲击效率的同时增加了整体吸能能力。
实施例5
一种复合材料Origami吸能折叠管，由从高度方向依次连接成一体的若干Origami预折纹模组1组成，Origami预折纹模组1均通过一个平整平面折叠而来，其折纹线4呈曲线，并分为横向内凹曲线，横向外凸曲线以及纵向弧线共3种，分别参见图12，图13和图14所示。传统直线折纹带来的尖角容易产生局部应力集中，从而导致折叠吸能管局部发生破坏，从而影响折纹管整体的吸能效果，而调整成曲线折纹后，能较好的改善应力集中问题，从而提高复合材料折叠管整体吸能能力。
通过设计单因素对比实施例，计算结果表明，相比于直线折纹的Origami吸能折叠管(铺层为kcck)，实施例5调整成横向内凹曲线折纹后其初始最大冲击支反力下降了3.5％，抗冲击效率提升了50.0％，比吸能提升了24.42％。相比于直线折纹的Origami吸能折叠管(铺层为kcck)，实施例5调整成横向外凸曲线折纹后其初始最大冲击支反力下降了32.12％，抗冲击效率提升了63.86％，比吸能提升了3.2％。相比于直线折纹的Origami吸能折叠管(铺层为kcck)，实施例5调整成纵向弧线折纹后，虽然其初始最大冲击支反力上升了23.38％，抗冲击效率降低了2.8％，但是其比吸能提升了25.26％。综上所述，实施例5调整成曲线折纹后，能较好的改善应力集中问题，有效的降低了冲击支反力波动幅度，提升了抗冲击效率的同时增加了整体吸能能力。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改(如把上述实施例中的方案进行任意两两或更多的组合)，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，由从高度方向依次连接成一体的至少一个Origami预折纹模组组成，所述Origami预折纹模组采用包括复合材料在内的材料铺层叠合而成。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，所述Origami预折纹模采用复合材料与复合材料、或复合材料与金属材料的铺层叠合而成。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，所述复合材料采用碳纤维和/或凯夫拉纤维。
4.根据权利要求3所述的一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，当复合材料采用碳纤维和凯夫拉纤维时，两者的混合铺层数的比为1：1。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，按从上到下的高度方向，所述Origami预折纹模组的厚度呈梯度增大。
6.根据权利要求1所述的一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，按从上到下的高度方向，所述Origami预折纹模组的高度呈梯度减小。
7.根据权利要求1所述的一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，按从上到下的高度方向，所述Origami预折纹模组的直径呈梯度减小或增大。
8.根据权利要求1所述的一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，所述Origami预折纹模组所采用的Origami预折纹为Origami crash box预折纹、Cylindrical Origami预折纹或Diamond Origami预折纹。
9.根据权利要求1或8所述的一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，所述Origami预折纹模组均通过一个平整平面折叠而来，其折纹线呈曲线。
10.根据权利要求9所述的一种复合材料Origami吸能折叠管，其特征在于，所述折纹线分为横向内凹曲线，横向外凸曲线以及纵向弧线共3种。
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