CN111301474B - 薄壁多胞填充吸能结构及吸能结构平均压缩力计算方法 - Google Patents

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Abstract

薄壁多胞填充吸能结构及吸能结构平均压缩力计算方法，本发明涉及一种吸能结构，本发明为解决现有技术吸能器吸能量较小，初始峰值力大，侧向承载较弱的问题，它包括上盖板、下盖板、带有梯度的厚度管体、多个蜂窝块和多个泡沫填充体，带有梯度的厚度管体内安装有隔断板，带有梯度的厚度管体通过隔断板将带有梯度的厚度管体分隔成多个空间，多个蜂窝块安装在带有梯度的厚度管体一部分空间内，多个泡沫填充体安装在梯度的厚度管体另一部分空间内，上盖板安装在带有梯度的厚度管体的一端上，下盖板安装在梯度的厚度管体的另一端上。

Description

薄壁多胞填充吸能结构及吸能结构平均压缩力计算方法
技术领域
本发明涉及一种吸能结构，具体涉及薄壁多胞填充吸能结构及吸能结构平均压缩力计算方法，属于吸能防护领域。
背景技术
随着科技的高速发展，以高速轨道列车为代表的交通行业有了空前的进步，为人们的出行和生活提供了极大的方便，但是随着交通工具数量的增多和速度的提升，交通事故发生的频率也大大增加，由此带来的生命财产损失也是巨大的。交通车辆运行安全防护分为主动安全防护和被动安全防护。主动安全防护主要是指在列车正常运行中，交通事故发生之前所起到的各种保护措施，包括对道路的定期检查、各种行驶标志、交通信号灯、交警指挥等。被动安全防护是指当交通事故发生之后，通过车辆本身保护，从而避免生命和财产的损失。例如轨道交通车辆所安装的车钩、缓冲器、吸能防爬器，普通汽车所安装的保险杠、安全带、安全气囊等。
因此作为被动安全防护领域的一个重要课题，碰撞缓冲吸能一直广受关注，但列车碰撞过程中，由于吸能器之间的错位碰撞，产生较大的侧向作用力，而由于铝蜂窝侧向承载较弱，导致列车碰撞过程中，铝蜂窝承受侧向力的作用，发生侧向变形，失去吸能作用，造成较严重的碰撞事故。现有技术吸能器吸能量较小，初始峰值力大，侧向承载较弱，因此解决吸能器侧向承载较弱的问题具有非常重要的意义。
发明内容
本发明为解决现有技术吸能器吸能量较小，初始峰值力大，侧向承载较弱的问题，进而需要提供一种具有补偿装置的柔性绳驱肘关节外骨骼机器人。
本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：
它包括上盖板、下盖板、带有梯度的厚度管体、多个蜂窝块和多个泡沫填充体，带有梯度的厚度管体内安装有隔断板，带有梯度的厚度管体通过隔断板将带有梯度的厚度管体分隔成多个空间，多个蜂窝块安装在带有梯度的厚度管体一部分空间内，多个泡沫填充体安装在梯度的厚度管体另一部分空间内，上盖板安装在带有梯度的厚度管体的一端上，下盖板安装在梯度的厚度管体的另一端上。
根据
Figure GDA0002700807540000011
计算得出平均压缩力F的数值，式中σy为薄壁铝合金的屈服应力，σu为薄壁铝合金的极限应力,ti为外管第i个阶梯段的壁厚，B为带有梯度的厚度管体外管壁和内隔板的总长度，σf为泡沫平台应力,Af为泡沫填充体的横截面积,At为外管面积，Cavg为泡沫填充体与外壁的交互系数，σh蜂窝材料的屈服应力，d为蜂窝块胞元的厚度，l为蜂窝块中单个胞元的边长，Ah为蜂窝块截面面积。
本发明的有益效果：
1、本申请具有充分发挥并综合各种材料的优势和力学性能，既有独立的承载能力，吸能能力强，初始峰值力小、在满足轴向压缩吸能要求，且具有一定的侧向承载能力，实现吸能器复杂环境下的压缩吸能的优点。
2、本申请可以实现沿轴向截面厚度梯度增加，控制压缩过程中压溃力渐进增大，减小初始峰值力，还可以利用厚度的变化来控制压缩过程中方管的屈曲变形。
3、本申请采用蜂窝块4和泡沫填充体5为填充物，充分发挥各种材料的力学性能，弥补了泡沫填充体5自身强度较低,不能单独作为吸能或承载结构的缺点和蜂窝块4侧向承载较弱，以及不能满足恶劣环境下的吸能承载的缺点。本申请以充分发挥并综合各种材料的优势和力学性能，既有独立的承载能力，吸能能力强、在满足轴向压缩吸能要求，且具有一定的侧向承载能力，实现吸能器复杂环境下的压缩吸能的优点。
4、本申请将蜂窝块4和多个泡沫填充体5填充在带有梯度的厚度管体2内，并利用粘胶剂将其粘接一起，易于加工成型，成本低。该吸能结构将蜂窝块4和多个泡沫填充体5的优点相结合，提高了吸能结构的吸能特性，降低了吸能结构的重量，泡沫填充体5具有一定的侧向承载能力，可以保障吸能结构的多角度冲击适应性，保证结构稳定性。本申请在满足碰撞性能的要求下，大大提高了吸能装置在吸能过程中的稳定性；通过薄壁多胞方管的屈曲压溃，蜂窝和泡沫填充体5压缩吸能，使得在较小的有效行程下具有较大的吸能量。
5、本申请应用多种材料压缩变形特性，结构简单，大大降低制作成本及维护成本，适合各种高低温及腐蚀等恶劣环境使用。
6、本申请的吸能形式的多样性，合理的配置各种吸能材料，充分发挥并综合各种材料的优势和力学性能，既有独立的承载能力，吸能能力强、在满足轴向压缩吸能要求，且具有一定的侧向承载能力，实现吸能器复杂环境下的压缩吸能的优点。碰撞过程中薄壁多胞管、蜂窝渐进叠缩吸能和泡沫铝挤压变形吸能，提高了结构的吸能效率，解决了单一吸能方式的缺点。
7、本申请具有侧向承载能力和多角度碰撞吸能，由于泡沫填充体5各向同性的特性和蜂窝块4按强度的梯度配置，使得整体吸能结构底部的刚度大于顶部的刚度，可实现一定角度斜向稳定冲击吸能，且相对铝蜂窝等薄壁吸能结构具有更大侧向承载能力。
8.本申请还具有吸能结构轻量化，采用的薄壁多胞方管，铝蜂窝和泡沫铝均为质量效率较高的轻质材料，采用薄壁胞元填充的设计方法使得吸能装置具有较高的轻量化特性。
附图说明
图1是本申请的结构俯视图。
图2是上盖板1和下盖板3与带有梯度的厚度管体2安装前示意图。
图3是多个蜂窝块4和多个泡沫填充体5安装在带有梯度的厚度管体2的俯视图。
图4是隔板6安装在蜂窝块4上的示意图。
图5是带有梯度的厚度管体2的主视图。
图6是图5中B-B向视图。
图7是带有梯度的厚度管体2内安装有隔断板的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，它包括上盖板1、下盖板3、带有梯度的厚度管体2、多个蜂窝块4和多个泡沫填充体5，带有梯度的厚度管体2内安装有隔断板，带有梯度的厚度管体2通过隔断板将带有梯度的厚度管体2分隔成多个空间，多个蜂窝块4安装在带有梯度的厚度管体2一部分空间内，多个泡沫填充体5安装在梯度的厚度管体2另一部分空间内，上盖板1安装在带有梯度的厚度管体2的一端上，下盖板3安装在梯度的厚度管体2的另一端上。
本实施方式中泡沫填充体5采用胶粘、机械结合以及激光钎焊的方法制成。本实施方式中带有梯度的厚度管体2的刚度沿轴向压缩方向梯度增大，减小了结构的初始碰撞峰值力，使得整体压溃过程更加平稳。本实施方式改变胞元截面形状，配置不同数量、强度的铝蜂窝，大大扩展了其应用范围。
具体实施方式二：结合图5-图7说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，带有梯度的厚度管体2包括第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体，第四壳体、第三壳体和第二壳体由外向内依次套装在第一壳体内，且第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体同轴一体设置，第一壳体的长度大于于第二壳体的长度，第二壳体的长度大于第三壳体的长度，第三壳体的长度大于第四壳体的长度。管体2的外形呈阶厚度阶梯状设置。使结构整体截面刚度沿轴向压缩方向增大，压缩过程中压溃力逐渐增大。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，它还包括多个隔板6，每个蜂窝块4上套装有至少两个隔板6，每个蜂窝块4的侧面至带有梯度的厚度管体2的内壁或隔断板之间的距离为10mm。以减小管体2的管壁对蜂窝块4的影响，蜂窝块4为蜂窝铝材料制成，其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，相邻两个蜂窝块4之间通过泡沫填充体5分隔设置。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，泡沫填充体5外形尺寸小于隔断板间形成的空间或泡沫填充体5外形尺寸小于隔断板与带有梯度的厚度管体2形成的空间。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，带有梯度的厚度管体2的横截面为正方形、正五边形、正六边形或圆形。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，泡沫填充体5是为泡沫铝材料、聚氨酯材料或聚乙烯泡沫材料中任意一种材料制成的泡沫填充体。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，每个蜂窝块4的通过粘接剂与上盖板1、下盖板3、带有梯度的厚度管体2的内壁和带有梯度的厚度管体2的隔断板粘接设置，每个泡沫填充体5通过粘接剂与上盖板1、下盖板3、带有梯度的厚度管体2的内壁和带有梯度的厚度管体2的隔断板粘接设置。粘接前采用砂纸打磨带有梯度的厚度管体2的内壁以及隔断板，或者利用酸、碱溶液浸泡后超声清洗，以去除金属管内壁上的污渍和氧化膜，从而增大有效结合面积。完成粘结后在室温或一定的温度下保持一段时间即可实现带有梯度的厚度管体2与蜂窝块4和泡沫填充体5的连接，其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，上盖板1和下盖板3焊接安装在带有梯度的厚度管体2的两端端面上，其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：结合图1-图7说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构，上盖板1和下盖板3焊接安装在带有梯度的厚度管体2的两端端面上。其它方法与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述薄壁多胞填充吸能结构平均压缩力计算方法，根据
Figure GDA0002700807540000051
计算得出平均压缩力F的数值，式中σy为薄壁铝合金的屈服应力，σu为薄壁铝合金的极限应力,ti为外管第i个阶梯段的壁厚，B为带有梯度的厚度管体2外管壁和内隔板的总长度，σf为泡沫平台应力,Af为泡沫填充体5的横截面积,At为外管面积，Cavg为泡沫填充体5与外壁的交互系数，与变形有关，本实施方式中为6.48，σh蜂窝材料的屈服应力，d为蜂窝块4胞元的厚度，l为蜂窝块4中单个胞元的边长，Ah为蜂窝块截面面积。通过小臂绑带50对小臂位置进行限定，其它方法与具体实施方式一相同。
本申请中薄壁多胞填充吸能结构总吸能量的计算方法为：
W＝F1δ+F2δ+F3δ
Figure GDA0002700807540000052
Figure GDA0002700807540000053
Figure GDA0002700807540000054

Claims (1)

1.一种吸能结构的平均压缩力计算方法，包括上盖板(1)、下盖板(3)、带有梯度的厚度管体(2)、多个蜂窝块(4)、多个泡沫填充体(5)和多个隔板(6)，带有梯度的厚度管体(2)包括第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体，带有梯度的厚度管体(2)内安装有隔断板，带有梯度的厚度管体(2)通过隔断板将带有梯度的厚度管体(2)分隔成多个空间，多个蜂窝块(4)安装在带有梯度的厚度管体(2)一部分空间内，多个泡沫填充体(5)安装在梯度的厚度管体(2)另一部分空间内，上盖板(1)安装在带有梯度的厚度管体(2)的一端上，下盖板(3)安装在梯度的厚度管体(2)的另一端上，第四壳体、第三壳体和第二壳体由外向内依次套装在第一壳体内，且第一壳体、第二壳体、第三壳体和第四壳体同轴一体设置，第一壳体的长度大于第二壳体的长度，第二壳体的长度大于第三壳体的长度，第三壳体的长度大于第四壳体的长度，每个蜂窝块(4)上套装有至少两个隔板(6)，每个蜂窝块(4)的侧面至带有梯度的厚度管体(2)的内壁或隔断板之间的距离为10mm，相邻两个蜂窝块(4)之间通过泡沫填充体(5)分隔设置，泡沫填充体(5)外形尺寸小于隔断板间形成的空间或泡沫填充体(5)外形尺寸小于隔断板与带有梯度的厚度管体(2)形成的空间，带有梯度的厚度管体(2)的横截面为正五边形、正六边形或圆形，泡沫填充体(5)是由泡沫铝材料、聚氨酯材料或聚乙烯泡沫材料中任意一种材料制成的泡沫填充体，每个蜂窝块(4)的通过粘接剂与上盖板(1)、下盖板(3)、带有梯度的厚度管体(2)的内壁和带有梯度的厚度管体(2)的隔断板粘接设置，每个泡沫填充体(5)通过粘接剂与上盖板(1)、下盖板(3)、带有梯度的厚度管体(2)的内壁和带有梯度的厚度管体(2)的隔断板粘接设置，上盖板(1)和下盖板(3)焊接安装在带有梯度的厚度管体(2)的两端端面上，其特征在于：
根据
Figure FDA0002700807530000011
计算得出平均压缩力F的数值，式中σy为薄壁铝合金的屈服应力，σu为薄壁铝合金的极限应力,ti为外管第i个阶梯段的壁厚，B为带有梯度的厚度管体(2)外管壁和内隔板的总长度，σf为泡沫平台应力,Af为泡沫填充体(5)的横截面积,At为外管面积，Cavg为泡沫填充体(5)与外壁的交互系数，σh蜂窝材料的屈服应力，d为蜂窝块(4)胞元的厚度，l为蜂窝块(4)中单个胞元的边长，Ah为蜂窝块截面面积。
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