CN112124351A

CN112124351A - 一种开孔多管组合式吸能装置

Info

Publication number: CN112124351A
Application number: CN202011005819.9A
Authority: CN
Inventors: 谢素超; 杨广辉; 冯哲骏; 刘项; 井坤坤; 马闻
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2040-09-23
Also published as: CN112124351B

Abstract

本发明公开了一种开孔多管组合式吸能装置，包括：后端板；多根吸能方管，吸能方管安装在后端板上，至少部分的吸能方管的侧壁上开设有多个通孔，且不同的吸能方管上纵向相邻的通孔的孔间距不相同。本发明的开孔多管组合式吸能装置既能够大幅度地降低吸能装置碰撞过程中的撞击力峰值，有效地缓解吸能装置碰撞过程中的撞击力波动，又能够保证吸能装置在碰撞过程中的能量吸收。

Description

一种开孔多管组合式吸能装置

技术领域

本发明涉及列车吸能装置技术领域，具体而言，涉及一种开孔多管组合式吸能装置。

背景技术

随着中国高速铁路技术的飞速发展，列车运行速度在近些年也得到了大幅提高。列车运行速度的提升，给我们的日常出行和生活都带来了极大的便利，但是一旦发生列车碰撞事故，将会导致大量难以挽回的人员伤亡和财产损失。因此，列车的被动安全保护成为现在人们研究的重点。而碰撞的过程，是一个能量转换的过程，发生碰撞的物体自身所具备的动能转化为应变能等其他形式的能量。

为了保证列车乘员的安全，使事故发生时的损失最小化，能量吸收和耗散系统成为列车车辆结构设计中不可或缺的组成部分。当碰撞发生时，列车端部的吸能装置发生塑性变形，将撞击动能消耗掉，为车内乘员和物品提供了保护。

通过这些年对吸能结构的研究，人们对金属薄壁管轴向压缩中的吸能特性已经有了较为深入的认识。通过大量的实验，加上有限元分析软件的不断发展，人们建立了关于管件压溃的初始峰值载荷、平均载荷和比吸能的经验公式，并在工程实践中得到运用。各种截面形状的薄壁铝型材，作为结构构件和吸能装置也在交通运输行业中得到了广泛的应用。然而，现有的吸能装置仍然存在撞击力峰值较高、撞击力波动较大的问题，其吸能效果有待进一步提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种开孔多管组合式吸能装置，以解决现有的吸能装置撞击力峰值较高、撞击力波动较大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种开孔多管组合式吸能装置，包括：

后端板；

多根吸能方管，吸能方管安装在后端板上，至少部分的吸能方管的侧壁上开设有多个通孔，且不同的吸能方管上纵向相邻的通孔的孔间距不相同。

进一步地，同一根吸能方管上的通孔沿吸能方管的纵向呈多层布置，每一层均包括沿吸能方管的横向设置的多个通孔。

进一步地，通孔为方孔，通孔沿吸能方管的纵向的开孔层数按照以下公式确定：

H＝(3～4)b；

其中，L为吸能方管的纵向长度；H为吸能方管上纵向相邻的通孔的孔间距；b为通孔沿吸能方管纵向的边长；N为通孔沿吸能方管纵向的开孔层数，N取整数。

进一步地，每一层中通孔的数量按照以下公式确定：

a＝(1～2)b；

其中，a为通孔沿吸能方管横向的边长；c为吸能方管的横截面边长；n为每一层中通孔的开孔数量，n取整数。

进一步地，吸能方管上的同一层中的多个通孔沿吸能方管的纵向轴线呈对称分布。

进一步地，多根吸能方管沿后端板的中心对称布置。

进一步地，吸能方管的数量为两根，两根吸能方管沿后端板的宽度方向中心线对称分布，其中一根吸能方管上不开设通孔，另一根吸能方管的侧壁上开设有通孔。

进一步地，吸能方管的数量为三根，三根吸能方管以后端板的重心为中心呈等腰三角形分布，其中一根吸能方管上不开设通孔，另外两根吸能方管的侧壁上开设有通孔。

进一步地，吸能方管的数量为四根，四根吸能方管沿后端板的纵横向中心线对称分布，其中一根吸能方管上不开设通孔，另外三根吸能方管的侧壁上开设有通孔。

进一步地，还包括：

前端板，设置在吸能方管的与后端板相对的一端；

薄壁外壳，薄壁外壳的两端分别与后端板和前端板相连接，多根吸能方管设置在薄壁外壳内。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明通过在至少部分吸能方管的侧壁上开设多个通孔，且不同的吸能方管上纵向相邻的通孔的孔间距不相同；使得该吸能装置在轴向压缩过程中，一根吸能方管变形过程中载荷撞击力最大的部分(即载荷-位移曲线中的波峰)与其他吸能方管变形中载荷的波谷进行抵消，从而达到降低吸能装置撞击力峰值、缓解吸能装置撞击力波动的效果。并且，该吸能装置采用方管作为吸能管，方管的压缩变形吸能主要依靠其角部的变形，因此去除吸能方管侧壁面的部分材料(开设通孔)不会显著降低结构的能量吸收。本发明的吸能装置既能大幅降低碰撞过程中的撞击力峰值，有效缓解碰撞过程中的撞击力波动，又能够保证碰撞过程中的能量吸收。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的开孔四管组合式吸能装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1的开孔四管组合式吸能装置的分解图。

图3为本发明实施例1的开孔四管组合式吸能装置拆除前端板和薄壁外壳后的结构示意图。

图4为本发明的吸能装置中吸能方管的侧面结构示意图。

图5为本发明的吸能装置中吸能方管的横截面示意图。

图6为本发明实施例2的开孔三管组合式吸能装置拆除前端板和薄壁外壳后的结构示意图。

图7为本发明实施例3的开孔双管组合式吸能装置拆除前端板和薄壁外壳后的结构示意图。

图8为单根无开孔方管的载荷-位移曲线。

图9为单根无开孔方管与单根开孔方管的载荷-位移曲线对比图。

图10为单根无开孔方管与单根开孔方管(孔间距与图9中不同)的载荷-位移曲线对比图。

图11为为单根无开孔方管与单根开孔方管(孔间距与图9、图10中不同)的载荷-位移曲线对比图。

图12为本发明实施例1的开孔四管组合式吸能装置与传统四管吸能装置的载荷-位移曲线对比图。

图13为本发明实施例2的开孔三管组合式吸能装置与传统三管吸能装置的载荷-位移曲线对比图。

图14为本发明实施例3的开孔双管组合式吸能装置与传统双管吸能装置的载荷-位移曲线对比图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、后端板；2、吸能方管；3、前端板；4、薄壁外壳；21、通孔。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于直接的连接，而是可以通过其他中间连接件间接的连接。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

实施例1：

参见图1至图5，一种本发明的开孔四管组合式吸能装置的实施例，该吸能装置主要包括后端板1和四根吸能方管2。其中，四根吸能方管2的一端安装在后端板1上，吸能方管2与后端板1垂直设置；其中三根吸能方管2的侧壁上开设有多个通孔21，并且不同的吸能方管2上纵向相邻的通孔21的孔间距(孔中心距)不相同；另外一根吸能方管2上不开设通孔21。

当吸能方管2(金属薄壁管)在撞击力作用下进行轴向压缩时，吸能方管2侧壁会形成褶皱；在形成褶皱的过程中，吸能方管2管壁发生弯曲和拉伸，将外力做功产生的能量转化为材料的塑性应变能，从而达到吸能的目的。吸能方管2在轴向载荷作用下，变形过程中的撞击力变化有如下特征：碰撞发生时，载荷迅速增大，达到一个峰值，然后随着褶皱的产生呈现周期性变化，每产生一个褶皱，载荷-位移曲线上出现一个波谷和波峰。单根无开孔方管的载荷-位移曲线如图8所示；单根无开孔方管与不同孔间距的单根开孔方管的载荷-位移曲线对比图如图9、图10和图11所示。

在工程应用上，传统的多管组合式吸能装置一般将多个吸能管组合起来，从而实现增加吸能量的目的。但是，仅仅将相同的吸能管简单地叠加，在轴向压缩时的载荷-位移曲线也是简单的线性叠加，因此整个吸能结构的峰值载荷将会成倍数增加。这也导致吸能装置的载荷-位移曲线起伏波动增大，严重影响碰撞动能的耗散，不利于降低对被保护对象的损伤。

本实施例的开孔四管组合式吸能装置，通过在其中三根吸能方管2的侧壁上开设多个通孔21，并且不同的吸能方管2上纵向相邻的通孔21的孔间距不相同；在吸能方管2的侧壁上进行不同的开孔设置，从而改变吸能方管2的纵向刚度。

在轴向压缩过程中，通孔21相当于褶皱产生的诱发剂，使得褶皱在通孔21位置形成。当吸能装置进行轴向压缩时，通孔21的存在使得开孔的吸能方管2和无开孔的吸能方管2的褶皱产生不再同步，而是存在一定的时间差；不同开孔间距的开孔吸能方管2之间，因为孔间距不同，在每个褶皱形成时参与拉伸变形吸能的材料面积不同，所以不同开孔间距的开孔吸能方管2褶皱产生也存在时间差，因此每根吸能方管2的载荷-位移曲线都存在一定的相位差。

在此基础上，将不同开孔布置的吸能方管2进行组合，整个吸能装置的载荷-位移曲线不再是单根吸能方管2载荷-位移曲线的简单线性相加。该吸能装置在轴向压缩过程中，一根吸能方管2变形过程中载荷撞击力最大的部分(即载荷-位移曲线中的波峰)与其他吸能方管2变形中载荷的波谷进行抵消，从而达到缓解撞击力波动的目的。

此外，本实施例采用方管作为吸能管，方管的压缩变形吸能主要依靠其角部的变形，因此去除吸能方管2侧壁面的部分材料(开设通孔21)不会显著降低结构的能量吸收。本实施例的吸能装置既能大幅降低碰撞过程中的撞击力峰值，有效缓解碰撞过程中的撞击力波动，也能够保证碰撞过程中的能量吸收。

具体来说，参见图1至图4，在本实施例中，同一根吸能方管2上的通孔21沿吸能方管2的纵向呈多层布置，且每一层均包括沿吸能方管2的横向设置的多个通孔21。其中一根开孔吸能方管2的每个侧壁上布置有纵向开孔间距为S₁的多层通孔21；另一根开孔吸能方管2的每个侧壁上布置有纵向开孔间距为S₂的多层通孔21；第三根开孔吸能方管2的每个侧壁上布置有纵向开孔间距为S₃的多层通孔21；且孔间距S₁、S₂、S₃不相等。

进一步地，在本实施例中，通孔21为方孔，通孔21沿吸能方管2的纵向的开孔层数满足以下关系式：

H＝(3～4)b；

其中，L为吸能方管2的纵向长度，单位为mm；H为吸能方管2上纵向相邻的通孔21的孔间距，单位为mm；b为通孔21沿吸能方管2纵向的边长，单位为mm；N为通孔21沿吸能方管2纵向的开孔层数，N取整数。

每一层中通孔21的数量满足以下关系式：

a＝(1～2)b；

其中，a为通孔21沿吸能方管2横向的边长，单位为mm；c为吸能方管2的横截面边长，单位为mm；n为每一层中通孔21的开孔数量，n取整数。

通过上述关系式来确定开孔层数N和每一层的开孔数量n，可以保证该吸能结构在轴向压缩时，吸能方管2的变形模式为吸能效果较好的对称屈曲变形，从而保证开孔吸能方管2轴向压缩的载荷-位移曲线存在周期性变化且与无开孔吸能方管2的载荷-位移曲线之间存在相位差，使得整个装置中多根吸能方管2的载荷-位移曲线的波峰与波谷更好地相互抵消，缓解撞击力波动效果最佳。

具体来说，在本实施例中，所有吸能方管2的长度L均为120mm、横截面边长c均为36mm、开孔层数N均为6、每一层的开孔数量n均为8；每根吸能方管2的开孔布置方式不同。具体地，孔间距为S₁(即H等于S₁；S₁为18mm)的吸能方管2的a为6mm、b为6mm；孔间距为S₂(即H等于S₂；S₂为19mm)的吸能方管2的a为6mm、b为6mm；孔间距为S₃(即H等于S₃；S₃为20mm)的吸能方管2的a为6mm、b为6mm。

本实施例的开孔四管组合式吸能装置与传统的四管吸能装置(四根吸能管结构相同)的载荷-位移曲线对比图如图12所示。由图12可见，采用本实施例上述开孔方式的吸能装置能够有效地降低碰撞过程中的撞击力峰值，缓解碰撞过程中的撞击力波动。

为保证开孔吸能方管2的轴向压缩过程为对称模式，参见图1、图2和图3，在本实施例中，吸能方管2上的同一层中的多个通孔21沿吸能方管2的纵向轴线呈对称分布。如此设置，可使开孔吸能方管2在同一轴向高度处的四个面的结构强度一致，使开孔吸能方管2在轴向压缩过程中保持轴向压溃而不发生偏置。

进一步地，参见图1、图2和图3，在本实施例中，四根吸能方管2沿后端板1的纵横向中心线对称分布。这样设置，可以使在发生碰撞时整个吸能装置受力均匀，保证吸能方管2的轴向压缩过程为对称模式，使吸能方管2的吸能主要依靠吸能方管2的角部变形。

参见图1和图2，在本实施例中，开孔四管组合式吸能装置还包括一块前端板3和一个薄壁外壳4。前端板3设置在吸能方管2的与后端板1相对的一端；薄壁外壳4的两端分别与后端板1和前端板3相连接，吸能方管2设置在该薄壁外壳4内。该吸能装置应用时通过后端板1将吸能装置整体安装在列车上，通过前端板3和后端板1承载。

实施例2：

参见图6，一种本发明的开孔三管组合式吸能装置的实施例，该开孔三管组合式吸能装置的主要结构与实施例1中的开孔四管组合式吸能装置类似，主要区别在于：本实施例的开孔三管组合式吸能装置中设置三根吸能方管2，三根吸能方管2以后端板1的重心为中心呈等腰三角形分布；其中一根吸能方管2上不开设通孔21，另外两根吸能方管2上开设通孔21。在一根开孔吸能方管2的每个侧壁上布置有纵向开孔间距为P₁的多层通孔21；另一根开孔吸能方管2的每个侧壁上布置有纵向开孔间距为P₂的多层通孔21；且孔间距P₁、P₂不相等。

通孔21沿吸能方管2的纵向的开孔层数以及每一层中通孔21的数量，同样满足实施例1中的相应关系式。具体地，在本实施例中，所有吸能方管2的长度L均为120mm、横截面边长c均为36mm、开孔层数N均为6、每一层的开孔数量n均为8；每根吸能方管2的开孔布置方式不同。孔间距为P₁(即H等于P₁；P₁为18mm)的吸能方管2的a为6mm、b为6mm；孔间距为P₂(即H等于P₂；P₂为20mm)的吸能方管2的a为6mm、b为6mm。

本实施例的开孔三管组合式吸能装置与传统的三管吸能装置(三根吸能管结构相同)的载荷-位移曲线对比图如图13所示。由图13可见，采用本实施例上述开孔方式的吸能装置能够有效地降低碰撞过程中的撞击力峰值，缓解碰撞过程中的撞击力波动。

实施例3：

参见图7，一种本发明的开孔双管组合式吸能装置的实施例，该开孔双管组合式吸能装置的主要结构与实施例1中的开孔四管组合式吸能装置类似，主要区别在于：本实施例的开孔双管组合式吸能装置中设置两根吸能方管2，两根吸能方管2沿后端板1的宽度方向中心线对称分布；其中一根吸能方管2上不开设通孔21，另一根吸能方管2的每个侧壁上布置有纵向开孔间距为M的多层通孔21。

通孔21沿吸能方管2的纵向的开孔层数以及每一层中通孔21的数量，同样满足实施例1中的相应关系式。具体地，在本实施例中，所有吸能方管2的长度L均为120mm、横截面边长c均为36mm。开孔的吸能方管2的开孔层数N为6、每一层的开孔数量n为8；开孔吸能方管2的孔间距M为19mm(H等于M)，开孔吸能方管2的a为6mm、b为6mm。

本实施例的开孔双管组合式吸能装置与传统的双管吸能装置(两根吸能管结构相同)的载荷-位移曲线对比图如图14所示。由图14可见，采用本实施例上述开孔方式的吸能装置能够有效地降低碰撞过程中的撞击力峰值，缓解碰撞过程中的撞击力波动。

需要说明的是，由于篇幅有限，本发明只提供了双管、三管以及四管的组合式吸能装置，根据实际需要还可以设计出六管、八管等具有更多吸能方管2(近似为蜂窝形)的开孔多管组合式吸能装置。随着不同开孔中心距(孔间距)的吸能方管2数量的增加，吸能装置的撞击力曲线将更加平缓，具有更加优良的撞击动能耗散能力，更加有利于保护乘员的生命安全。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，包括：

后端板(1)；

多根吸能方管(2)，所述吸能方管(2)安装在所述后端板(1)上，至少部分的所述吸能方管(2)的侧壁上开设有多个通孔(21)，且不同的所述吸能方管(2)上纵向相邻的所述通孔(21)的孔间距不相同。

2.根据权利要求1所述的开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，同一根所述吸能方管(2)上的所述通孔(21)沿所述吸能方管(2)的纵向呈多层布置，每一层均包括沿所述吸能方管(2)的横向设置的多个所述通孔(21)。

3.根据权利要求2所述的开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，所述通孔(21)为方孔，所述通孔(21)沿所述吸能方管(2)的纵向的开孔层数按照以下公式确定：

H＝(3～4)b；

其中，L为所述吸能方管(2)的纵向长度；H为所述吸能方管(2)上纵向相邻的所述通孔(21)的孔间距；b为所述通孔(21)沿所述吸能方管(2)纵向的边长；N为所述通孔(21)沿所述吸能方管(2)纵向的开孔层数，N取整数。

4.根据权利要求3所述的开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，每一层中所述通孔(21)的数量按照以下公式确定：

a＝(1～2)b；

其中，a为所述通孔(21)沿所述吸能方管(2)横向的边长；c为所述吸能方管(2)的横截面边长；n为每一层中所述通孔(21)的开孔数量，n取整数。

5.根据权利要求2～4中任意一项所述的开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，所述吸能方管(2)上的同一层中的多个所述通孔(21)沿所述吸能方管(2)的纵向轴线呈对称分布。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，多根所述吸能方管(2)沿所述后端板(1)的中心对称布置。

7.根据权利要求6所述的开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，所述吸能方管(2)的数量为两根，两根所述吸能方管(2)沿所述后端板(1)的宽度方向中心线对称分布，其中一根所述吸能方管(2)上不开设所述通孔(21)，另一根所述吸能方管(2)的侧壁上开设有所述通孔(21)。

8.根据权利要求6所述的开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，所述吸能方管(2)的数量为三根，三根所述吸能方管(2)以所述后端板(1)的重心为中心呈等腰三角形分布，其中一根所述吸能方管(2)上不开设所述通孔(21)，另外两根所述吸能方管(2)的侧壁上开设有所述通孔(21)。

9.根据权利要求6所述的开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，所述吸能方管(2)的数量为四根，四根所述吸能方管(2)沿所述后端板(1)的纵横向中心线对称分布，其中一根所述吸能方管(2)上不开设所述通孔(21)，另外三根所述吸能方管(2)的侧壁上开设有所述通孔(21)。

10.根据权利要求1～4中任意一项所述的开孔多管组合式吸能装置，其特征在于，还包括：

前端板(3)，设置在所述吸能方管(2)的与所述后端板(1)相对的一端；

薄壁外壳(4)，所述薄壁外壳(4)的两端分别与所述后端板(1)和所述前端板(3)相连接，多根所述吸能方管(2)设置在所述薄壁外壳(4)内。