CN111186459B - 一种组合式吸能结构 - Google Patents

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Abstract

一种组合式吸能结构，它涉及一种吸能结构。本发明为了解决现有蜂窝填充薄壁管结构在压缩时由于薄壁管侵入蜂窝而造成填充结构整体吸能量减少的问题。本发明包括缓冲吸能块(1)和多孔薄壁管(2)，缓冲吸能块(1)为变厚度吸能块，多孔薄壁管(2)为变厚度薄壁管，缓冲吸能块(1)填充到多孔薄壁管(2)内组成吸能结构(3)。缓冲吸能块(1)为蜂窝块、泡沫块或橡胶块。缓冲吸能块(1)的强度为等强度或变强度。多孔薄壁管(2)包括内薄壁管(4)、外薄壁管(5)和加筋板(6)，内薄壁管(4)内嵌到外薄壁管(5)内，内薄壁管(4)和外薄壁管(5)之间设有加筋板(6)。本发明用于汽车、航空航天等具有缓冲系统的领域。

Description

一种组合式吸能结构
技术领域
本发明涉及一种吸能结构，具体涉及一种蜂窝填充薄壁结构的组合式吸能结构，属于吸能领域。
背景技术
随着中国高铁、城铁的飞速发展，便捷、高效的轨道交通已经成为许多人的出行首选，其安全防护显得至关重要。轨道列车领域的缓冲吸能装置主要包括蜂窝、胀管、缩管、刨削管以及薄壁结构等。而蜂窝由于比强度高、比吸能大、缓冲过程稳定的优点得到了广泛的应用。蜂窝作为一种严格正交各向异性的材料，主要承受轴向载荷，当作用力方向稍微偏离轴向时，蜂窝的变形形态及吸能能力大大下降。而在冲击过程中，冲击力的作用方向并不总是沿轴向方向，通常还伴随有垂向作用力。因此单独蜂窝材料无法作为吸能结构应用于轨道列车的吸能系统。在实际工程中，通常将蜂窝填充在薄壁结构内部形成一种组合式吸能结构，不仅可以利用蜂窝的高比强度、高比吸能及缓冲力平稳的优点，还可以发挥薄壁结构可以承受垂向力的优势，使新的组合式吸能结构成为一种理想的轨道列车缓冲吸能装置。
普通的蜂窝填充薄壁结构主要由蜂窝与普通薄壁管组成，如蜂窝填充方管、蜂窝填充矩形管、蜂窝填充圆管、蜂窝填充锥形管等。研究及实践表明，填充在压缩时，薄壁管变形产生的褶皱会向内侵入蜂窝，造成蜂窝临近薄壁管区域缓冲力及轴向吸能能力大大下降，而由于蜂窝侧向强度非常低，对薄壁管的变形及吸能性能几乎无影响，最终结果导致填充结构的整体缓冲力及吸能能力小于单独薄壁管及单独蜂窝压缩时的缓冲力及吸能能力之和。
综上所述，现有蜂窝填充薄壁管结构在压缩时由于薄壁管侵入蜂窝而造成填充结构整体吸能量减少的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有蜂窝填充薄壁管结构在压缩时由于薄壁管侵入蜂窝而造成填充结构整体吸能量减少的问题。进而提供一种组合式吸能结构。
本发明的技术方案是：一种组合式吸能结构包括缓冲吸能块和多孔薄壁管，缓冲吸能块为变厚度吸能块，多孔薄壁管为变厚度薄壁管，缓冲吸能块填充到多孔薄壁管内组成吸能结构。
进一步地，缓冲吸能块为蜂窝块、泡沫块或橡胶块。
进一步地，缓冲吸能块的强度为等强度或变强度。
进一步地，多孔薄壁管包括内薄壁管、外薄壁管和加筋板，内薄壁管内嵌到外薄壁管内，内薄壁管和外薄壁管之间设有加筋板。
进一步地，内薄壁管的厚度和外薄壁管的厚度沿高度方向逐渐增大。
进一步地，加筋板的厚度沿高度方向逐渐增大。
进一步地，加筋板的波峰及波谷处于内薄壁管的外壁和外薄壁管的内壁固定连接成一体。
进一步地，加筋板为波纹板。
进一步地，加筋板由金属材料制成。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、本发明提出的一种蜂窝填充多孔薄壁管的组合式吸能结构，在轴向压缩时，多孔薄壁管变形时的褶皱边长大大减小，对蜂窝的侵入微乎其微，同时多孔结构的引入也增加了薄壁管本身的吸能能力，因此该组合式吸能结构与普通的蜂窝填充薄壁管结构相比，吸能能力大大增加，缓冲力也更加稳定。
2、本发明加筋板的存在减小了薄壁管压缩时的褶皱波长，大大减小了薄壁管对蜂窝等填充材料的侵入及破坏，使蜂窝等填充材料的吸能量得到最大程度的利用；
3、本发明加筋板的存在减小了薄壁管压缩时的褶皱波长，使组合结构的变形形态及力的稳定性大大增加；
4、本发明与普通薄壁管相比，多孔薄壁管的平均压缩力大大增加；
5、本发明与普通填充结构相比，本发明的组合结构的力可适应特殊工况需求，如在某些情景中压缩力需演压缩位移的增大而增大；
6、与普通填充结构相比，本发明的组合结构的径向承载能力大大增加。
附图说明
图1是本发明缓冲吸能块1的结构示意图；
图2是本发明的多孔薄壁管2的结构示意图；
图3是本发明的整体结构示意图；
图4是图3的侧视图；
图5是多孔薄壁管2的侧视图；
图6是图5在I处的局部放大图；
图7是缓冲吸能块1的结构尺寸分析示意图；
图8是图7在J处的局部放大图；
图9是多孔薄壁管2的分割示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的一种组合式吸能结构包括缓冲吸能块1和多孔薄壁管2，缓冲吸能块1为变厚度吸能块，多孔薄壁管2为变厚度薄壁管，缓冲吸能块1填充到多孔薄壁管2内组成吸能结构3。
本发明采用了变厚度的多孔薄壁管，同时将多孔缓冲吸能材料填充到变厚度多孔薄壁管内；
本发明不仅仅限于轨道列车吸能领域，还可用于其他如汽车、航空航天等具有缓冲系统的领域。
具体实施方式二：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的缓冲吸能块1为蜂窝块、泡沫块或橡胶块。如此设计，适用范围广。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的缓冲吸能块1的强度为等强度或变强度。如此设计，可配合内薄壁管4、外薄壁管5及加筋板6等调节组合结构的缓冲力，以满足不同的应用场景，如:如缓冲力逐渐增大、缓冲力为恒定的值、缓冲力逐渐减小的缓冲吸能系统。。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的多孔薄壁管2包括内薄壁管4、外薄壁管5和加筋板6，内薄壁管4内嵌到外薄壁管5内，内薄壁管4和外薄壁管5之间设有加筋板6。如此设计，结构简单，吸能效果好。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式的内薄壁管4的厚度和外薄壁管5的厚度沿高度方向逐渐增大。如此设置，可配合缓冲吸能块1、加筋板6等调节组合结构的缓冲力，以满足不同的应用场景，如:如缓冲力逐渐增大、缓冲力为恒定的值、缓冲力逐渐减小的缓冲吸能系统。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
具体实施方式六：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的加筋板6的厚度沿高度方向逐渐增大。如此设置，可配合缓冲吸能块1、内薄壁管4、外薄壁管5等调节组合结构的缓冲力，以满足不同的应用场景，如:如缓冲力逐渐增大、缓冲力为恒定的值、缓冲力逐渐减小的缓冲吸能系统。。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
具体实施方式七：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的加筋板6的波峰及波谷处于内薄壁管4的外壁和外薄壁管5的内壁固定连接成一体。如此设置，可使加筋板6、内薄壁管4及外薄壁管5等协调变形，从而达到减小内薄壁管4及外薄壁管5的褶皱波长的目的。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的加筋板6为波纹板。如此设计，可保证加筋板的连续性，简化制造工艺。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
具体实施方式九：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的加筋板6由金属材料制成。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
下面结合图1-图9说明本发明的吸能原理。
结合图1至图3，将蜂窝块1填充进多孔薄壁管2，组成组合式吸能结构3。蜂窝块1的外包络尺寸与多孔薄壁管2的内腔尺寸相同。由于组合结构为锥形，因此为便于区分，将锥形小端称为A端，锥形大端称为B端。
结合图4至图6，多孔薄壁管2由内薄壁管4、外薄壁管5、波纹加筋板6组成，而三者的厚度均是渐变的，在A端厚度最小，B端厚度最大，厚度沿薄壁管高度方向线性变化。波纹加筋板6在波峰及波谷处与内薄壁管4的外壁及外薄壁管5的内壁固定连接。内薄壁管4的尺寸包括A端内腔截面尺寸LA、WA和B端内腔截面尺寸LB、WB，以及A端截面壁厚t1、B端截面壁厚t2。外薄壁管5的尺寸包括A端外包络截面尺寸LA1、WA1和B端外包络截面尺寸LB1、WB1，以及A端截面壁厚t3、B端截面壁厚t4。波纹加筋板6的尺寸包括A端截面壁厚t5、B端截面壁厚t6，以及波纹曲线的函数。
结合图7至图8，将多孔薄壁管进行分割。圆形虚线7所示为多孔薄壁管中的交点，直线虚线8为分割线，相邻两个交点之间有且只有一条分割线将两交点之间的线段分割成两条线段。依此规则将多孔薄壁管的A端截面进行分割，计算相邻交点与分割线之间的线段个数，记为N，N将用于计算多孔薄壁管的平均压缩力。多孔薄壁管的平均压缩力如式(1)所示。
Figure BDA0002378592520000041
其中σysT为薄壁管集体材料的屈服强度；
N1、N2、N3分别为内薄壁管、外薄壁管、波纹加筋板分割后的线段个数；
S1A、S2A、S3A、分别为内薄壁管、外薄壁管、波纹加筋板的A端截面面积；
S1B、S2B、S3B、分别为内薄壁管、外薄壁管、波纹加筋板的B端截面面积；
结合图9，蜂窝块1为正交各向异性材料，材料主轴分为共面方向x1、x2，异面方向为x3，其中x3方向强度最高，在设计中应使作用力的方向x3方向。x3方向又称为蜂窝的轴向方向，x2方向为蜂窝的叠加方向，x1方向为蜂窝的宽度方向。由于薄壁管内腔为锥形，蜂窝块紧贴薄壁管内腔，因此蜂窝块也为锥形。蜂窝块A端和B端的尺寸分别为LA、WA(x1方向)和LB、WB(x2方向)。多孔薄壁管内腔的尺寸应等于蜂窝块的外包络尺寸，即多孔薄壁管A端内腔尺寸为LA及WA，B端内腔尺寸为LB、WB，高度与多孔薄壁管的高度相等，为T。蜂窝的孔格尺寸包括孔格边长、孔格厚度及孔格夹角，分别为l、t、θ。
根据蜂窝材料力学，普通六边形蜂窝的强度可由式(2)计算
Figure BDA0002378592520000051
其中
Figure BDA0002378592520000052
Figure BDA0002378592520000053
当六边形为正六边形时，θ＝2π/3，I1(ψ0)＝1.05，I3(ψ0)＝2.39。σH为蜂窝压缩强度，σysH为蜂窝基体材料的屈服强度，t为六边形孔格壁厚，l为六边形孔格边长，θ为六边形孔格夹角。则蜂窝的压缩力为蜂窝的压缩强度乘以蜂窝的横截面积，如式(3)所示。
PH＝σHLW (3)
综上，蜂窝填充多孔薄壁管的组合式吸能结构的平均压缩力如式(4)所示。
Figure BDA0002378592520000054

Claims (4)

1.一种组合式吸能结构，其特征在于：它包括缓冲吸能块(1)和多孔薄壁管(2)，缓冲吸能块(1)为变厚度吸能块，多孔薄壁管(2)为变厚度薄壁管，缓冲吸能块(1)填充到多孔薄壁管(2)内组成吸能结构(3)；
多孔薄壁管(2)包括内薄壁管(4)、外薄壁管(5)和加筋板(6)，内薄壁管(4)内嵌到外薄壁管(5)内，内薄壁管(4)和外薄壁管(5)之间设有加筋板(6)；加筋板(6)为波纹板，加筋板(6)的波峰及波谷处于内薄壁管(4)的外壁和外薄壁管(5)的内壁固定连接成一体；内薄壁管(4)的厚度和外薄壁管(5)的厚度沿高度方向逐渐增大；加筋板(6)的厚度沿高度方向逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的一种组合式吸能结构，其特征在于：缓冲吸能块(1)为蜂窝块、泡沫块或橡胶块。
3.根据权利要求2所述的一种组合式吸能结构，其特征在于：缓冲吸能块(1)的强度为等强度或变强度。
4.根据权利要求3所述的一种组合式吸能结构，其特征在于：加筋板(6)由金属材料制成。
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