CN110514082A - 一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，目的是解决现有防护结构泡沫夹芯结构可设计性差，泡沫铝填充薄壁管易发生欧拉屈曲和存在明显的初始峰值应力等问题。本发明由N个缓冲吸能单元，上面板，下面板组成；上面板和下面板相互平行，N个缓冲吸能单元夹在上面板和下面板之间，N个缓冲吸能单元1的中轴线OO’均垂直于上面板和下面板；缓冲吸能单元由驱动薄壁管、膨胀薄壁管和梯度缓冲芯体组成；梯度缓冲芯体填充于驱动薄壁管的内腔，驱动薄壁管的小直径圆筒插入膨胀薄壁管；梯度缓冲芯体由低密度泡沫层、中密度泡沫层和高密度泡沫层组成。本发明结构简单、成本低、可设计性强、无明显初始峰值应力、抗冲击性能优异。
Description
技术领域
本发明属于一种爆炸冲击防护结构，具体涉及一种芯体为梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构。
背景技术
炸药爆炸在极短的时间内瞬间将全部的化学能转化为爆炸能量，把爆炸产生的产物转为高温、高压状态，高温、高压状态的爆轰产物会迅速挤压周围的气体，形成压力巨大的冲击波。爆源周围的冲击波超压可以达到数十GPa，对人员安全造成严重威胁。军用装甲车辆经常会遭遇各种武器的爆炸性袭击，为了减小对车内人员的伤害，军用装甲车辆采用一些新结构或新技术提高军车的防爆性。
传统工程设计领域中，一般通过增加军用装甲车防护结构刚度和防护层厚度，提高冲击能量吸收，以提高军用装甲车防护结构的抗冲击性能。这种方式虽然能够达到对军用车辆和内部人员的防护要求，但是最终使得军车防护结构的自重和工程造价大幅提高。新型轻质材料和结构的研究不仅能够提高军车防护结构吸能性能，达到抗冲击设计目标，而且能够降低防护结构自重、减小工程成本，有着非常重要的工程应用和科学研究价值。
目前常用的轻质防护结构类型很多，主要包括泡沫铝夹芯结构、泡沫铝填充薄壁管结构、膨胀管式结构等。
泡沫铝夹芯结构是由两层金属面板和中间泡沫铝芯体组成的复合结构，主要用于爆炸或冲击载荷防护。泡沫铝的强度一般比较低，实际使用的时候将泡沫铝作为夹芯结构的芯体，既充分发挥泡沫铝材料的缓冲吸能优势，又发挥金属面板的承载能力。2015年敬霖等在《力学与实践》杂志第37卷第1期发表论文《多孔金属及其夹芯结构力学性能的研究进展》，研究发现泡沫铝夹芯结构表现出轻质、强度高、刚度高、缓冲吸能效果好等特点，在结构抗冲击和爆炸防护等方面具有广阔的应用前景。泡沫铝材料作为芯体虽然有一定的吸能缓冲效果，但是可设计性差，因此可以考虑改进其芯体的密度分布，进一步提高泡沫金属夹芯结构的实用性。
泡沫铝填充薄壁管可以有效避免泡沫铝在变形过程中可能出现的破碎现象，同时利用薄壁管的轴向屈曲变形和泡沫铝压溃实现缓冲吸能，达到良好的抗冲击的效果。2017年哈尔滨工业大学丁珂发表的硕士学位论文《冲击作用下铝基复合泡沫填充管动态力学及吸能性能研究》，研究发现泡沫铝填充薄壁管在轴向冲击作用下，承受平均压缩载荷变化很小，能够保持稳定载荷的条件下出现屈曲变形和叠缩。泡沫铝填充金属薄壁管在轴向受压的过程中，瞬态冲击载荷会产生一个初始峰值应力，初始应力峰值不利于缓冲防护。另外当薄壁管结构长度与直径的比值过大或者受到非轴向载荷时，易发生欧拉屈曲，严重降低吸能效率，还会导致整体失稳失效。
膨胀管式结构由一个锥形管和一个胀管组成，若作用于锥形管能承受的压力超过设定的阈值(与胀管的结构、尺寸、材料等有关)，由于锥形管定径段的外径大于胀管的内径，锥形管在载荷的作用下逐渐插入胀管内部，胀管出现扩径变形，冲击载荷将转换为胀管材料的弹塑性变形能以及胀管和锥形管壁面之间的摩擦能，最终达到抗冲击的目的。2018年哈尔滨工业大学张晓龙发表硕士学位论文《膨胀管式吸能器吸能特性分析及应用研究》，研究发现膨胀管式结构是一种可靠的缓冲吸能结构，具有吸能行程长、稳定平稳的缓冲力等优点，同时对冲击载荷的方向性和冲击载荷的速度不敏感。膨胀管式结构简单、生产制造成本低，但其吸能容量比较小，不利于防护结构的轻量化和小型化，不适合用于小尺寸防护结构。
2015年太原理工大学李世强发表博士学位论文《分层梯度多孔金属夹芯结构的冲击力学行为》，研究发现泡沫铝受到冲击时发生逐层压溃变形的现象，在冲击防护方面具有很深的发展潜力，梯度泡沫铝材料在泡沫铝材料的基础上做了优化匹配，更加适合防护结构缓冲吸能设计。梯度泡沫铝材料是指泡沫铝材料的密度分布沿厚度方向由一端向另一端呈逐渐增加或降低的趋势，从而使泡沫铝材料的力学特性也沿着厚度方向呈逐渐增加或降低的趋势。梯度泡沫铝材料可以应用在不同抗爆、抗冲击场景以满足特定的缓冲吸能需求。梯度泡沫铝材料由于材料分布不同，可设计性强，可以根据具体缓冲吸能需求进行设计。
如何进一步提高军用装甲车防护结构的缓冲吸能性能，消除初始峰值应力，增加军用装甲车防护结构抗冲击过程的稳定性是本领域技术人员极为关注的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，解决现有防护结构采用轻质缓冲吸能材料或结构时存在的一些问题，例如泡沫夹芯结构可设计性差，泡沫铝填充薄壁管易发生欧拉屈曲和存在明显的初始峰值应力，膨胀管式结构吸能容量比较小。本发明具有结构简单、成本低、可设计性强、无明显初始峰值应力、抗冲击性能优异等特点，用于可能遭受爆炸或高速冲击的军用装甲车防护领域，为冲击防护提供一种新的选择。
本发明利用夹芯结构将冲击波能量转化为金属面板(上面板和下面板)塑性变形、金属薄壁管(驱动薄壁管和膨胀薄壁管)的径向塑性变形、驱动薄壁管的屈曲变形以及梯度缓冲芯体的压溃变形，发挥了各组成材料和结构的性能优势，扬长避短，使防护结构整体具备了结构和功能一体化的特点，对爆炸冲击波或冲击载荷能实现优异的缓冲吸能，达到很好的防护效果。
本发明由N个缓冲吸能单元，上面板，下面板组成。沿着笛卡尔坐标系的x方向有n个缓冲吸能单元，n为正整数且n≥2，沿着笛卡尔坐标系的y方向有m个缓冲吸能单元，m为正整数且m≥2，且N＝m·n。
上面板和下面板相互平行，间距为L0，根据防护需求确定，满足2cm<L0<50cm，N个缓冲吸能单元夹在上面板和下面板之间，N个缓冲吸能单元的中轴线OO’均垂直于上面板和下面板。N个缓冲吸能单元上端面平齐，盖有上面板，连接处粘接；N个缓冲吸能单元下端面平齐，由下面板密封，连接处粘接；N个缓冲吸能单元侧面相互贴合，连接处粘接。
缓冲吸能单元为圆柱形，由驱动薄壁管、膨胀薄壁管和梯度缓冲芯体组成。缓冲吸能单元的动薄壁管上端面盖有上面板，缓冲吸能单元的膨胀薄壁管下端面由下面板密封。驱动薄壁管和膨胀薄壁管为圆筒形，梯度缓冲芯体为圆柱形。驱动薄壁管、膨胀薄壁管和梯度缓冲芯体的中轴线均重合于中轴线OO’。梯度缓冲芯体填充于驱动薄壁管的内腔。驱动薄壁管的小直径圆筒插入膨胀薄壁管，接触处采用粘接方式连接。
驱动薄壁管为含空心圆台的圆筒。驱动薄壁管沿中轴线OO’分成大直径圆筒、空心圆台和小直径圆筒，总长度为L1，满足0.4L0<L1<0.7L0。大直径圆筒外直径为D1，满足0.5cm<D1<20cm，内直径为D2，满足0.85D1<D2<0.95D1，长度为l1，满足0.6L1<l1<0.9L1，壁厚δ1＝(D1-D2)/2。小直径圆筒外直径为D3，满足0.5D2<D3<0.9D2，内直径为D4，满足0.85D3<D4<0.95D3，长度为l3，满足0.05L1<l3<0.25L1，壁厚等于δ1。空心圆台处于大直径圆筒和小直径圆筒之间，空心圆台底部与大直径圆筒相连，底部外直径等于D1，底部内直径等于D2，空心圆台顶部与小直径圆筒相连，顶部外直径等于D3，顶部内直径等于D4。空心圆台长度l2(空心圆台的截面是一个梯形，长度l2为梯形的高)l2＝L1-l1-l3，空心圆台的母线与中轴线OO’的夹角θ＝arctan[(D2-D4)/2l2]，壁厚等于δ1cosθ。驱动薄壁管材料为金属，屈服强度σ11满足σ11>300MPa，密度ρ11满足7g/cm3<ρ11<9g/cm3。
膨胀薄壁管为圆筒形，膨胀薄壁管内直径等于D3，外直径为D5，满足1.05D3<D5<1.3D3，壁厚δ2＝(D5-D3)/2，长度等于L1。膨胀薄壁管材料为金属，屈服强度为σ12，满足100MPa<σ12<σ11，密度ρ12满足1g/cm3<ρ12<9g/cm3，且ρ12<ρ11。
梯度缓冲芯体为含圆台的圆柱状，总长度等于L1，由低密度泡沫层、中密度泡沫层和高密度泡沫层组成。低密度泡沫层、中密度泡沫层和高密度泡沫层同轴(中轴线OO’)装配，中密度泡沫层位于低密度泡沫层和高密度泡沫层之间，端面采用胶水粘接。低密度泡沫层为圆柱体，外直径等于D2，长度为l4，满足0.3L1<l4<0.7L1。低密度泡沫层材料为泡沫铝，密度为ρ131，满足ρ131<0.4g/cm3。中密度泡沫层为圆柱形，直径等于D2，长度l5＝l1-l4。中密度泡沫层材料为泡沫铝，密度为ρ132，满足ρ131<ρ132<0.8g/cm3。高密度泡沫层分为圆台形部分和圆柱形部分，圆台形部分在中密度泡沫层和圆柱形部分之间。圆柱形部分直径等于D4，长度等于l3。圆台形部分与中密度泡沫层相连的底面直径等于D2，圆台形部分与圆柱形部分连接的顶面直径等于D4，圆台形部分长度等于l2(圆台形部分的截面是一个梯形，圆台形部分的长度为梯形的高)，母线与中轴线的夹角等于θ。高密度泡沫层材料为泡沫铝，密度为ρ133，满足ρ132<ρ133<1.2g/cm3。低密度泡沫层、中密度泡沫层和高密度泡沫层采用不同密度的泡沫铝，构成梯度泡沫铝缓冲芯体，简称梯度缓冲芯体。
上面板为长方形薄板，长度为h，满足h＝nD1，宽度为i，满足i＝mD1，厚度为j1，满足1cm<j1<20cm。上面板材料为金属，屈服强度σ2，满足σ2>100MPa，密度ρ2，满足1g/cm3<ρ2<9g/cm3。
下面板为长方形薄板，长度等于h，宽度等于i，厚度为j2，满足j2≤j1。下面板材料为金属，屈服强度σ3，满足σ3>100MPa，密度ρ3，满足1g/cm3<ρ3<9g/cm3。
本发明使用时上面板朝向爆炸冲击波方向，爆炸冲击波的能量传递给上面板，并转化为上面板的动能，上面板局部受冲击加载后发生变形并压缩若干个缓冲吸能单元(位置取决于爆炸冲击的位置)。驱动薄壁管受到上面板压缩后，驱动薄壁管逐渐插入膨胀薄壁管。驱动薄壁管的外表面和膨胀薄壁管内表面之间的摩擦吸收上面板的动能。插入过程中驱动薄壁管的直径变小，膨胀薄壁管的直径变大，驱动薄壁管和膨胀薄壁管发生径向塑性变形并吸收上面板的动能。由于驱动薄壁管和膨胀薄壁管的长度均为L1，驱动薄壁管能够完全插入膨胀薄壁管。当驱动薄壁管完全插入膨胀薄壁管后，膨胀薄壁管套在驱动薄壁管外，膨胀薄壁管内表面和驱动薄壁管的外表面紧密贴合，梯度缓冲芯体位于膨胀薄壁管内。如果上面板还有剩余动能，将会继续压缩缓冲吸能单元，驱动薄壁管和膨胀薄壁管开始发生屈曲变形，吸收上面板的动能。同时内部低密度泡沫层开始发生压溃变形，当低密度泡沫层完全压实后，中密度泡沫层开始发生压溃变形，当中密度泡沫层完全压实后，高密度泡沫层开始压溃变形。缓冲吸能单元塑性变形吸收上面板的动能。
本发明发挥了夹芯结构承受冲击载荷的性能优势，同时充分利用驱动薄壁管和膨胀薄壁管径向塑性变形、轴向屈曲变形以及梯度缓冲芯体压溃变形，能够消除夹芯结构缓冲吸能过程的峰值应力，同时吸收大量爆炸冲击波能量，达到缓冲吸能、抗冲击的目的。本发明可以应用于军用装甲车，能够有效提高军用装甲车防护结构的缓冲吸能性能，增加军用装甲车防护结构抗爆炸冲击过程的稳定性。
采用本发明可以达到以下技术效果：
1.本发明采用一种包含梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的芯体(指梯度缓冲芯体)和金属面板(上面板和下面板)的夹芯结构，发挥了夹芯结构的面板和芯体的性能优势，充分利用膨胀薄壁管摩擦、径向塑性变形和轴向屈曲变形以及梯度泡沫铝材料的压溃变形，能够消除防护结构缓冲吸能过程的峰值应力，提高防护结构整体抗冲击性能。
2.本发明结合了泡沫铝夹芯结构、泡沫铝填充薄壁管、膨胀管式结构三种结构特点以及梯度泡沫优势，防护结构的缓冲吸能的性能稳定可靠、可设计性强，在爆炸和冲击防护方面具有很大优势，应用前景广泛。
3.本发明防护结构具有缓冲吸能的性能稳定可靠，总体成本低，部件加工、装配简单等特点。
附图说明
图1是本发明总体结构装配图；图1(a)是总体结构的斜视图；图1(b)是图1(a)A-A方向的截面图；
图2是缓冲吸能单元1结构示意图；图2(a)是缓冲吸能单元1的斜视图；图2(b)是图2(a)B-B方向截面图；
图3是驱动薄壁管11的结构示意图；图3(a)是驱动薄壁管11的斜视图；图3(b)是图3(a)C-C方向截面图；
图4是膨胀薄壁管12的结构示意图；图4(a)是膨胀薄壁管12的斜视图；图4(b)是图4(a)D-D方向截面图；
图5是梯度缓冲芯体13的结构示意图；图5(a)是梯度缓冲芯体13的斜视图；图5(b)是图5(a)E-E方向的截面图；
图6是上面板2的结构示意图；图6(a)是上面板2的俯视图；图6(b)是上面板2的侧视图；
图7是下面板3的结构示意图；图7(a)是下面板3的俯视图；图7(b)是下面板3的侧视图。
附图标记说明：
1.缓冲吸能单元，2.上面板，3.下面板，11.驱动薄壁管，12.膨胀薄壁管，13.梯度缓冲芯体，111.大直径圆筒，112.空心圆台，113.小直径圆筒，131.低密度泡沫层，132.中密度泡沫层，133.高密度泡沫层，1331.圆台形部分，1332.圆柱形部分具体实施方式
为了便于本领域技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明总体结构装配图。如图1(a)所示，本发明由N个缓冲吸能单元1，上面板2，下面板3组成。沿着笛卡尔坐标系的x方向有n个缓冲吸能单元1，n为正整数且n≥2，沿着笛卡尔坐标系的y方向有m个缓冲吸能单元1，m为正整数且m≥2，且N＝m·n。如图1(b)所示，上面板2和下面板3相互平行，间距为L0，根据防护需求确定，满足2cm<L0<50cm。N个缓冲吸能单元1夹在上面板2和下面板3之间，N个缓冲吸能单元1的中轴线OO’均垂直于上面板2和下面板3。N个缓冲吸能单元1上端面平齐，盖有上面板2，连接处粘接；N个缓冲吸能单元1下端面平齐，由下面板2密封，连接处粘接；N个缓冲吸能单元1侧面相互贴合，连接处粘接。
图2(a)是缓冲吸能单元1的斜视图；如图2(a)所示，缓冲吸能单元1为圆柱形，由驱动薄壁管11、膨胀薄壁管12和梯度缓冲芯体13组成。如图1(b)所示，缓冲吸能单元1的动薄壁管11上端面盖有上面板2，缓冲吸能单元1膨胀薄壁管12下端面由下面板2密封。如图2(a)所示，驱动薄壁管11和膨胀薄壁管12为圆筒形，梯度缓冲芯体13为圆柱形。驱动薄壁管11、膨胀薄壁管12和梯度缓冲芯体13的中轴线均重合于中轴线OO’。图2(b)是图2(a)B-B方向截面图；如图2(b)所示，梯度缓冲芯体13填充于驱动薄壁管11的内腔。驱动薄壁管11的小直径圆筒113插入膨胀薄壁管12，接触处采用粘接方式连接。
图3(a)是驱动薄壁管11的斜视图；如图3(a)所示，驱动薄壁管11为含空心圆台的圆筒。图3(b)是图3(a)C-C方向截面图；如图3(b)所示，驱动薄壁管11沿中轴线OO’分成大直径圆筒111、空心圆台112和小直径圆筒113，总长度为L1，满足0.4L0<L1<0.7L0。大直径圆筒111外直径为D1，满足0.5cm<D1<20cm，内直径为D2，满足0.85D1<D2<0.95D1，长度为l1，满足0.6L1<l1<0.9L1，壁厚δ1＝(D1-D2)/2。小直径圆筒113外直径为D3，满足0.5D2<D3<0.9D2，内直径为D4，满足0.85D3<D4<0.95D3，长度为l3，满足0.05L1<l3<0.25L1，壁厚等于δ1。空心圆台112处于大直径圆筒111和小直径圆筒113之间，空心圆台112底部与大直径圆筒111相连，底部外直径等于D1，底部内直径等于D2，空心圆台112顶部与小直径圆筒113相连，顶部外直径等于D3，顶部内直径等于D4。空心圆台112长度l2(从图3(b)来看，空心圆台11的截面是一个梯形，长度l2为梯形的高)l2＝L1-l1-l3，空心圆台112的母线与中轴线OO’的夹角θ＝arctan[(D2-D4)/2l2]，壁厚等于δ1cosθ。驱动薄壁管11材料为金属，屈服强度σ11满足σ11>300MPa，密度ρ11满足7g/cm3<ρ11<9g/cm3。
图4(a)是膨胀薄壁管12的斜视图；图4(b)是图4(a)D-D方向截面图；如图4(a)所示，膨胀薄壁管12为圆筒形，如图4(b)所示，膨胀薄壁管12内直径等于D3，外直径为D5，满足1.05D3<D5<1.3D3，壁厚δ2＝(D5-D3)/2，长度等于L1。膨胀薄壁管12材料为金属，屈服强度为σ12，满足100MPa<σ12<σ11，密度ρ12满足1g/cm3<ρ12<9g/cm3，且ρ12<ρ11。
图5(a)是梯度缓冲芯体13的斜视图；图5(b)是图5(a)E-E方向的截面图；如图5(a)所示，梯度缓冲芯体13为含圆台的圆柱状，总长度等于L1，由低密度泡沫层131、中密度泡沫层132和高密度泡沫层133组成。低密度泡沫层131、中密度泡沫层132和高密度泡沫层133同轴(中轴线OO’)装配，中密度泡沫层132位于低密度泡沫层131和高密度泡沫层133之间，端面采用胶水粘接。低密度泡沫层131为圆柱体，外直径等于D2，长度为l4，满足0.3L1<l4<0.7L1。低密度泡沫层131材料为泡沫铝，密度为ρ131，满足ρ131<0.4g/cm3。中密度泡沫层132为圆柱形，直径等于D2，长度l5＝l1-l4。中密度泡沫层132材料为泡沫铝，密度ρ132满足ρ131<ρ132<0.8g/cm3。高密度泡沫层133分为圆台形部分1331和圆柱形部分1332，圆台形部分1331在中密度泡沫层132和圆柱形部分1332之间。圆柱形部分1332直径等于D4，长度等于l3。圆台形部分1331与中密度泡沫层132相连的底面直径等于D2，圆台形部分1331与圆柱形部分1332连接的顶面直径等于D4，圆台形部分1331长度等于l2(从图5(b)来看，圆台形部分1331的截面是一个梯形，圆台形部分1331的长度为梯形的高)，母线与中轴线的夹角等于θ。高密度泡沫层133材料为泡沫铝，密度ρ133满足ρ132<ρ133<1.2g/cm3。低密度泡沫层131、中密度泡沫层132和高密度泡沫层133采用不同密度的泡沫铝，构成梯度泡沫铝缓冲芯体，简称梯度缓冲芯体13。
图6(a)是上面板2的俯视图；图6(b)是上面板2的侧视图；如图6(a)所示，上面板2为长方形薄板，长度为h，满足h＝nD1，宽度为i，满足i＝mD1，如图6(b)所示，厚度为j1，满足1cm<j1<20cm。上面板2材料为金属，屈服强度σ2，满足σ2>100MPa，密度ρ2，满足1g/cm3<ρ2<9g/cm3。
图7(a)是下面板3的俯视图；图7(b)是下面板3的侧视图。如图7(a)所示，下面板3为长方形薄板，长度等于h，宽度等于i，如图7(b)所示，厚度为j2，满足j2≤j1。下面板3材料为金属，屈服强度σ3，满足σ3>100MPa，密度ρ3，满足1g/cm3<ρ3<9g/cm3。
本发明使用时上面板2朝向爆炸冲击波方向，爆炸冲击波的能量传递给上面板2，并转化为上面板2的动能，上面板2局部受冲击加载后发生变形并压缩若干个缓冲吸能单元1(位置取决于爆炸冲击的位置)。驱动薄壁管11受到上面板2压缩后，驱动薄壁管11逐渐插入膨胀薄壁管12。驱动薄壁管11的外表面和膨胀薄壁管12内表面之间的摩擦吸收上面板2的动能。插入过程中驱动薄壁管11的直径变小，膨胀薄壁管12的直径变大，驱动薄壁管11和膨胀薄壁管12发生径向塑性变形并吸收上面板2的动能。由于驱动薄壁管11和膨胀薄壁管12的长度均为L1，驱动薄壁管11能够完全插入膨胀薄壁管12。当驱动薄壁管11完全插入膨胀薄壁管12后，膨胀薄壁管12套在驱动薄壁管11外，膨胀薄壁管12内表面和驱动薄壁管11的外表面紧密贴合，梯度缓冲芯体13位于膨胀薄壁管12内。如果上面板2还有剩余动能，将会继续压缩缓冲吸能单元1，驱动薄壁管11和膨胀薄壁管12开始发生屈曲变形，吸收上面板2的动能。同时内部低密度泡沫层131开始发生压溃变形，当低密度泡沫层131完全压实后，中密度泡沫层132开始发生压溃变形，当中密度泡沫层132完全压实后，高密度泡沫层133开始压溃变形。缓冲吸能单元1塑性变形吸收上面板2的动能。
Claims (10)
1.一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构由N个缓冲吸能单元(1)，上面板(2)，下面板(3)组成；沿着笛卡尔坐标系的x方向有n个缓冲吸能单元(1)，n为正整数，沿着笛卡尔坐标系的y方向有m个缓冲吸能单元(1)，m为正整数，且N＝m·n；上面板(2)和下面板(3)相互平行，间距为L0，N个缓冲吸能单元(1)夹在上面板(2)和下面板(3)之间，N个缓冲吸能单元(1)的中轴线OO’均垂直于上面板(2)和下面板(3)；N个缓冲吸能单元(1)上端面平齐，盖有上面板(2)，连接处粘接；N个缓冲吸能单元(1)下端面平齐，由下面板2密封，连接处粘接；N个缓冲吸能单元(1)侧面相互贴合，连接处粘接；
缓冲吸能单元(1)为圆柱形，由驱动薄壁管(11)、膨胀薄壁管(12)和梯度缓冲芯体(13)组成；缓冲吸能单元(1)的动薄壁管11上端面盖有上面板(2)，缓冲吸能单元(1)膨胀薄壁管(12)下端面由下面板2密封；驱动薄壁管(11)和膨胀薄壁管(12)为圆筒形，梯度缓冲芯体(13)为圆柱形；驱动薄壁管(11)、膨胀薄壁管(12)和梯度缓冲芯体(13)的中轴线均重合于中轴线OO’；梯度缓冲芯体(13)填充于驱动薄壁管(11)的内腔，驱动薄壁管(11)的小直径圆筒(113)插入膨胀薄壁管(12)，接触处采用粘接方式连接；
驱动薄壁管(11)为含空心圆台的圆筒，驱动薄壁管(11)沿中轴线OO’分成大直径圆筒(111)、空心圆台(112)和小直径圆筒(113)，总长度为L1；大直径圆筒(111)外直径为D1，内直径为D2，长度为l1，壁厚为δ1＝(D1-D2)/2；小直径圆筒(113)外直径为D3，内直径为D4，长度为l3；空心圆台(112)处于大直径圆筒(111)和小直径圆筒(113)之间，空心圆台(112)底部与大直径圆筒(111)相连，底部外直径等于D1，底部内直径等于D2，空心圆台(112)顶部与小直径圆筒(113)相连，顶部外直径等于D3，顶部内直径等于D4；空心圆台(112)长度为l2，空心圆台(112)的母线与中轴线OO’的夹角为θ；
膨胀薄壁管(12)为圆筒形，膨胀薄壁管(12)内直径等于D3，外直径为D5，壁厚δ2＝(D5-D3)/2；
梯度缓冲芯体(13)为含圆台的圆柱状，总长度等于L1，由低密度泡沫层(131)、中密度泡沫层(132)和高密度泡沫层(133)组成；低密度泡沫层(131)、中密度泡沫层(132)和高密度泡沫层(133)同轴装配，中密度泡沫层(132)位于低密度泡沫层(131)和高密度泡沫层(133)之间，端面采用胶水粘接；低密度泡沫层(131)为圆柱体，外直径等于D2，长度为l4；中密度泡沫层(132)为圆柱形，直径等于D2，长度为l5；高密度泡沫层(133)分为圆台形部分(1331)和圆柱形部分(1332)，圆台形部分(1331)在中密度泡沫层(132)和圆柱形部分(1332)之间；圆柱形部分(1332)直径等于D4，长度等于l3；圆台形部分(1331)与中密度泡沫层(132)相连的底面直径等于D2，圆台形部分(1331)与圆柱部分(1332)连接的顶面直径等于D4，圆台形部分长度等于l2，母线与中轴线的夹角等于θ；低密度泡沫层(131)、中密度泡沫层(132)和高密度泡沫层(133)的材料均为泡沫铝，满足ρ131<ρ132<ρ133；ρ131为低密度泡沫层(131)材料密度，ρ132为中密度泡沫层(132)材料密度，ρ133为高密度泡沫层(133)密度；
上面板(2)为长方形薄板，长度为h，满足h＝nD1，宽度为i，满足i＝mD1，厚度为j1；
下面板(3)为长方形薄板，长度等于h，宽度等于i，厚度为j2。
2.如权利要求1的述的一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于所述n满足n≥2，m也满足m≥2。
3.如权利要求1的述的一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于所述上面板(2)和下面板(3)的间距为L0根据防护需求确定，满足2cm<L0<50cm。
4.如权利要求1的述的一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于所述驱动薄壁管(11)总长度L1满足0.4L0<L1<0.7L0；大直径圆筒(111)外直径D1满足0.5cm<D1<20cm，内直径D2满足0.85D1<D2<0.95D1，长度l1满足0.6L1<l1<0.9L1；小直径圆筒(113)外直径D3满足0.5D2<D3<0.9D2，内直径D4满足0.85D3<D4<0.95D3，长度l3满足0.05L1<l3<0.25L1，壁厚等于δ1；空心圆台(112)长度l2＝L1-l1-l3，空心圆台(112)的母线与中轴线OO’的夹角θ＝arctan[(D2-D4)/2l2]，壁厚等于δ1cosθ。
5.如权利要求1的述的一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于所述膨胀薄壁管(12)的外直径D5满足1.05D3<D5<1.3D3，长度等于L1。
6.如权利要求1的述的一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于所述驱动薄壁管(11)材料为金属，屈服强度σ11满足σ11>300MPa，密度ρ11满足7g/cm3<ρ11<9g/cm3；膨胀薄壁管(12)材料为金属，屈服强度为σ12，满足100MPa<σ12<σ11，密度ρ12满足1g/cm3<ρ12<9g/cm3，且ρ12<ρ11。
7.如权利要求1的述的一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于所述梯度缓冲芯体(13)的低密度泡沫层(131)的长度l4满足0.3L1<l4<0.7L1；中密度泡沫层(132)的长度l5＝l1-l4。
8.如权利要求1的述的一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于所述低密度泡沫层(131)密度ρ131满足ρ131<0.4g/cm3；中密度泡沫层(132)的密度ρ132满足ρ131<ρ132<0.8g/cm3；高密度泡沫层(133)的密度ρ133满足ρ132<ρ133<1.2g/cm3。
9.如权利要求1的述的一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于所述上面板(2)的厚度j1满足1cm<j1<20cm，所述下面板(3)的厚度j2，满足j2≤j1。
10.如权利要求1的述的一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于所述上面板(2)材料为金属，屈服强度σ2，满足σ2>100MPa，密度ρ2满足1g/cm3<ρ2<9g/cm3；所述下面板(3)材料为金属，屈服强度σ3，满足σ3>100MPa，密度ρ3满足1g/cm3<ρ3<9g/cm3。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111301474A (zh) * | 2020-01-23 | 2020-06-19 | 哈尔滨工业大学 | 薄壁多胞填充吸能结构及吸能结构平均压缩力计算方法 |
| CN111577809A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-08-25 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于受切割蜂窝结构填充薄壁金属管的复合式吸能装置 |
| CN113446909A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-09-28 | 中国人民解放军国防科技大学 | 低当量有毒爆炸物气囊回收式防爆结构 |
| CN113465463A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-10-01 | 中国人民解放军国防科技大学 | 固液耦合芯体夹心圆筒抗爆结构 |
| CN113639604A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-11-12 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种复合芯体夹心圆筒防爆结构 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100006701A (ko) * | 2008-07-10 | 2010-01-21 | 자동차부품연구원 | 차량용 충격흡수재 |
| CN103847163A (zh) * | 2014-03-04 | 2014-06-11 | 中山大学 | 泡沫填充蜂窝铝芯三明治结构及其制备方法 |
| CN109591739A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-04-09 | 华侨大学 | 一种汽车前安全防撞梁 |
-
2019
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100006701A (ko) * | 2008-07-10 | 2010-01-21 | 자동차부품연구원 | 차량용 충격흡수재 |
| CN103847163A (zh) * | 2014-03-04 | 2014-06-11 | 中山大学 | 泡沫填充蜂窝铝芯三明治结构及其制备方法 |
| CN109591739A (zh) * | 2018-11-15 | 2019-04-09 | 华侨大学 | 一种汽车前安全防撞梁 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张晓龙: "《膨胀管式吸能器特性分析及应用研究》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111301474A (zh) * | 2020-01-23 | 2020-06-19 | 哈尔滨工业大学 | 薄壁多胞填充吸能结构及吸能结构平均压缩力计算方法 |
| CN111301474B (zh) * | 2020-01-23 | 2020-11-27 | 哈尔滨工业大学 | 薄壁多胞填充吸能结构及吸能结构平均压缩力计算方法 |
| CN111577809A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-08-25 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于受切割蜂窝结构填充薄壁金属管的复合式吸能装置 |
| CN111577809B (zh) * | 2020-06-02 | 2021-02-26 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于受切割蜂窝结构填充薄壁金属管的复合式吸能装置 |
| CN113446909A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-09-28 | 中国人民解放军国防科技大学 | 低当量有毒爆炸物气囊回收式防爆结构 |
| CN113465463A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-10-01 | 中国人民解放军国防科技大学 | 固液耦合芯体夹心圆筒抗爆结构 |
| CN113639604A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-11-12 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种复合芯体夹心圆筒防爆结构 |
| CN113446909B (zh) * | 2021-06-29 | 2022-03-25 | 中国人民解放军国防科技大学 | 低当量有毒爆炸物气囊回收式防爆结构 |
| CN113639604B (zh) * | 2021-06-29 | 2022-04-08 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种复合芯体夹心圆筒防爆结构 |
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