CN111219436A - 一种折纸型薄壁管 - Google Patents

Abstract

一种折纸型薄壁管，它涉及一种薄壁管，具体涉及一种折纸型薄壁管。本发明为了解决普通薄壁管在压缩时变形不规律，且力稳定性差的问题。本发明包括多个单层折纸圆环，多个单层折纸圆环沿轴向依次连接组成管体。本发明属于被动安全防护领域。

Description

一种折纸型薄壁管

技术领域

本发明涉及一种薄壁管，具体涉及一种折纸型薄壁管，属于被动安全防护领域。

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。而薄壁结构由于比强度高、质量轻、制造简单、成本低等优点得到了广泛的应用。薄壁管在缓冲吸能系统中主要承受轴向载荷。薄壁管在轴向冲击的作用下将发生塑性大变形，将冲击动能转化为金属的塑性变形能而耗散掉，从而起到保护乘员及被保护物的安全的作用。普通金属薄壁管的变形形态主要取决于尺寸及材料，当薄壁管的几何尺寸及材料确定时，其变形形态也是确定的。普通薄壁管的变形形态主要有“手风琴”式、“钻石式”及非紧凑型变形模式，其中“手风琴”式及“钻石式”变形模式均为紧凑型变形模式，变形形态比较规律，力的稳定性也较好，总体吸能性能较好。而非紧凑型变形模式变形形态不规律，力的稳定性较差，且薄壁管塑性变形不充分，总吸能量较小，总体吸能性能较差。

理想的缓冲吸能结构应具有比吸能大、有效压缩率高、压缩力效率高、总吸能效率高的优点。比吸能是指总吸能量与吸能结构的质量或体积的比值，比吸能越大说明同等总吸能量的情况下吸能结构的质量或体积越小，越有利于轻量化及小型化设计。有效压缩率是指压实后吸能结构压缩的距离与其原始长度的比值，在平均压缩力相同的情况下，有效压缩率越高，总吸能量越大。压缩力效率是指平均压缩力与峰值力的比值，平均压缩力是总吸能量与有效压缩行程的比值，压缩力效率越高说明同等平均压缩力下峰值力越小。吸能结构设计应尽量避免出现较高的峰值力，因为峰值力过大会导致瞬时加速度过大，对乘员及被保护物造成不可逆的损害。总吸能效率是指平均力与有效压缩行程的乘积与峰值力与吸能结构原始长度的乘积的比值，总吸能效率越高说明压缩力效率及有效压缩率越高。此外，评价吸能结构吸能性能优劣的另外一个重要指标为力的平稳性，力的平稳性越好，缓冲吸能过程越稳定。

对于普通薄壁管，当几何尺寸及材料确定以后，其变形形态及吸能性能也已确定，为了降低峰值力或改变薄壁管的变形形态，在薄壁管设置诱导结构成为一种有效手段。普通的诱导结构一般为在管壁上引入一定的几何缺陷，使薄壁管首先在几何缺陷处先变形，从而改变变形形态，同时几何缺陷的引入还可以大大降低峰值力。作为一种特殊的有较强几何规律性的折纸型诱导结构是将折纸工程的理念引入到普通薄壁管，使薄壁管在压缩时顺从折痕变形。这不仅会大大降低薄壁管的峰值力，同时可完全改变薄壁管的变形形态，进而改变薄壁管的吸能性能。合理的折纸结构设计可得到预期的变形形态，从而使薄壁管具有预期的吸能性能。

发明内容

本发明为解决普通薄壁管在压缩时变形不规律，且力稳定性差的问题，进而提出一种折纸型薄壁管。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括多个单层折纸圆环，多个单层折纸圆环沿轴向依次连接组成管体。

进一步的，每个单层折纸圆环是由多个折纸单元首尾依次连接组成的环体。

进一步的，每个折纸单元包括V形折板和V形外沿，V形折板的一端与V形外沿的一侧连接成一体。

进一步的，V形折板是长方形板体沿第一折痕对折制作成的。

进一步的，V行外沿是菱形板体沿第二折痕对称制作成的。

本发明的有益效果是：1、吸能量大：折纸型薄壁管由于折痕的引入增加了塑性铰的数量及长度，因此吸能量要大于普通薄壁管；2、变形形态稳定可控：由于折纸薄壁管在变形时可严格按照折痕变形，因此其变形是稳定且规律的。对折纸薄壁管的几何结构及尺寸进行合理的设计可使薄壁管按照预期的模式变形，从而控制薄壁管的变形；3、压缩力平稳性好：普通薄壁管在压缩时通常会产生较大的褶皱波长，从而导致其压缩力产生周期性的波峰与波谷，且波峰与波谷之差较大，导致力的波动性较大。折纸型薄壁管由于折痕的引入人为缩短了褶皱波长，从而降低了波峰与波谷之差，提高了压缩力的平稳性；4、峰值力低：普通薄壁管在压缩时通常会产生较大的峰值力，而折纸型薄壁管相当于在普通薄壁管的基础上引入了几何缺陷，几何缺陷的引入会大大降低薄壁管的压缩峰值力；5、可设计性强：在几何尺寸(一般指包络尺寸及厚度)及基体材料确定的情况下，普通薄壁管的变形形态及吸能性能是确定的，而对于折纸型薄壁管，在其当量包络尺寸确定的情况下，依然可以对多个几何尺寸进行更改与设计，从而获得不同的吸能性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是单层折纸环的结构示意图；

图3是折纸单元的结构示意图

图4是本发明的局部示意图；

图5是单层折纸换的组合示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种折纸型薄壁管包括多个单层折纸圆环1，多个单层折纸圆环1沿轴向依次连接组成管体。

具体实施方式二：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种折纸型薄壁管的每个单层折纸圆环1是由多个折纸单元1-1首尾依次连接组成的环体。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3说明本实施方式，本实施方式所述一种折纸型薄壁管的每个折纸单元1-1包括V形折板1-1-1和V形外沿1-1-2，V形折板1-1-1的一端与V形外沿1-1-2的一侧连接成一体。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种折纸型薄壁管的V形折板1-1-1是长方形板体沿第一折痕2对折制作成的。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种折纸型薄壁管的V行外沿1-1-2是菱形板体沿第二折痕3对称制作成的。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

折纸单元1-1共由6条折痕组成，分别为虚线所示的两条凹痕5及第一折痕2、实线所示的第二折痕3和两条凸痕4；折纸单元1-1展开后的矩形平面的高度的一半为h₀，凹痕5和第二折痕3之间的夹角为θ，凸痕3的长度为a，第一折痕2的长度为b；凹痕5和第二折痕3、凸痕4围成的平面①和②的夹角为2α；由以上参数可确定折纸单元的所有几何参数；

图2中的虚线6所示为折纸圆环的内接圆，连接圆环内的所有顶点，内接圆的半径为r；结合说明书附图5，假设单层折纸圆环1中折纸单元1-1的个数为n；结合说明书附图4，假设轴向方向上折纸圆环1的层数为m；通过解析几何可得到n的表达式如式(1)所示，

公式(1)中h₀表示折纸单元1-1展开后的矩形平面的高度的一半，α表示凸痕4围成的平面①和②的夹角的二分之一，a表示凸痕3的长度，θ表示凹痕5和第二折痕3之间的夹角；

r的表达式为

公式(2)中b表示第一折痕2的长度，

假设折纸薄壁管的高度为H，则m的表达式为：

公式(3)中

在轴向压缩时，折纸薄壁管将严格按照折痕变形，在折痕处产生塑性铰，则折纸薄壁管吸收的能量如式(4)所示，平均压缩力如式(5)所示。

公式(4)中M₀表示单位长度塑性极限弯矩，

t表示薄壁管厚度，σ_s表示薄壁管基体材料屈服强度；

最终得到：

公式(5)中F_m表示薄壁管的平均压缩力。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种折纸型薄壁管，其特征在于：所述一种折纸型薄壁管包括多个单层折纸圆环(1)，多个单层折纸圆环(1)沿轴向依次连接组成管体。

2.根据权利要求1所述一种折纸型薄壁管，其特征在于：每个单层折纸圆环(1)是由多个折纸单元(1-1)首尾依次连接组成的环体。

3.根据权利要求2所述一种折纸型薄壁管，其特征在于：每个折纸单元(1-1)包括V形折板(1-1-1)和V形外沿(1-1-2)，V形折板(1-1-1)的一端与V形外沿(1-1-2)的一侧连接成一体。

4.根据权利要求3所述一种折纸型薄壁管，其特征在于：V形折板(1-1-1)是长方形板体沿第一折痕(2)对折制作成的。

5.根据权利要求3所述一种折纸型薄壁管，其特征在于：V行外沿(1-1-2)是菱形板体沿第二折痕(3)对称制作成的。

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