CN113090694B - 一种可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可灵活拆装、快速拓展的模块化吸能防护装置，属于安全防护技术领域。其中，该装置由吸能模块正交离散组装而成。吸能模块上设有至少两个呈阵列排布的凹槽，且在组装过程中使用的凹槽的分布相同；通过凹槽实现吸能模块之间的自锁定，进而组装成具有一个或者多个自锁节点的空心或实心结构的吸能防护装置，或设计成能够快速拓展的三维立体大规模防护结构。与现有技术相比，本发明的吸能防护装置无需施加外部约束即可快速组装成型，且在承受拉伸载荷时能够快速拆解，具有可灵活拆装、性能稳定的特点。此外，加工误差和组装错位对整体结构的使用性能几乎不造成影响，具备结构缺陷不敏感性以及三位立体拓展能力。

Description

一种可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置

技术领域

本发明涉及安全防护技术领域，特别涉及一种可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置。

背景技术

近年来，随着科技水平的提高和工具设备的发展，碰撞、爆炸等紧急冲击事故的突发频率和破坏能力在不断提高，对人员及财产安全造成了严重的伤害。因此，如何设计出可灵活快速拆装、便利调控性能的冲击防护装置，已成为安全防护工程领域中的研究热点。

首先，新型吸能防护装置需要具备能灵活拆装、性能稳定的功能。例如，飞行器紧急着陆、赛车急转弯侧翻、雨后山体滑坡等紧急突发事故中载荷形式复杂、筹备时间紧迫，吸能防撞装置必须能够在较短的时间里完成拆装及部署。然而，传统抗冲击吸能防护装置在组装过程中往往需要借助复杂的外界约束，不但增加了人力物力成本，还削弱了在工程实践中的应急能力。如果能够便捷拆装，不仅可以提高应急能力，还可以根据实际需求快速重新组装，调节特征参数和连续体刚度分布特征，以便于调控使用性能。

其次，新型吸能防护装置需要具备结构缺陷不敏感性以及三维立体拓展能力。具体而言，个别部件的加工误差和组装错位对整体结构的使用性能几乎不造成影响，整体结构的规模不受部件尺寸的限制，能够通过合理的排布方式实现三维立体拓展，能够针对强动载荷快速扩大规模。然而，传统多管吸能系统的使用性能依赖于吸能部件的规则排布，部件的缺陷会影响整体结构的稳定性，此外多管系统的规模受到单管轴向尺寸的限制，无法立体拓展。

因此，设计出一种可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，是一件富有意义的工作。对于提高材料与空间利用率，快速高效应对突发事故和降低生命及财产损失有着重要的价值。

发明内容

本发明为克服上述背景技术存在的至少一种缺陷(不足)，提出一种可灵活拆装、快速拓展的吸能模块和吸能防护装置。吸能防护装置由吸能模块正交离散组装而成，能够快速组装成型或拆卸，大大降低了拆装的时间成本和人力物力成本。此外由于特有的凹槽结构，加工误差和组装错位对整体结构的使用性能几乎不造成影响，具备结构缺陷不敏感性以及三维立体拓展能力。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可灵活拆装、快速拓展的吸能防护模块，包括吸能模块；吸能模块呈柱状，吸能模块上设有至少2个呈阵列排布的凹槽；凹槽之间的距离大于凹槽表面的最长边的长度。

上述吸能模块为凹槽等距排列的轴对称结构模块；上述吸能模块也可以凹槽不等距排列。

一种可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，吸能防护装置由至少6个凹槽分布相同的吸能模块正交离散组装而成；吸能模块两两位于同一平面且对称排列，两个吸能模块上的凹槽形成一通道；通道沿该通道方向的截面形状与吸能模块沿轴向的截面形状相同，尺寸相等。吸能模块正交离散组装可快速组装成型，无需施加外部约束；且在承受拉伸载荷时能够快速拆解。

进一步地，吸能防护装置由6个均具有两个2个凹槽的吸能模块正交离散组装而成；形成的吸能防护装置具有1个自锁节点。

进一步地，吸能防护装置由大于6个的、具有不同凹槽数量的吸能模正交离散组装而成；形成的吸能防护装置具有至少1个自锁节点。具有较多数量凹槽的吸能模块组装成具有多个自锁节点的结构，既可以规则排布设计成具有多个自锁节点的空心或实心结构，也可以随机排布设计成三维立体的可快速拓展的大规模防护结构。

进一步地，吸能模块呈正四棱柱状；吸能模块的宽度与高度h相等；吸能模块的长度

进一步地，吸能模块上的每个凹槽表面包括第一表面和第二表面；第一表面和第二表面之间的夹角角度为90度；第一表面和第二表面的几何形状均呈全等等腰三角形；第一表面和第二表面存在公共边，公共边为等腰三角形的底边，公共边的长度为

等腰三角形腰的长度为

相邻凹槽之间的距离至少为

进一步地，等腰三角形的两条腰分别位于吸能模块的上端面和前端面上；腰的两个端点分别位于腰所在平面的两平行边上。

进一步地，所述吸能模块的材料为金属薄壁结构或轻质复合材料填充夹层结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明的可灵活拆装、快速拓展的模块化吸能防护装置能够稳固地承受压缩载荷。此外，该装置由吸能模块正交离散组装而成，无需施加外部约束即可快速组装成型，克服了传统吸能系统在组装过程中必须施加复杂外界约束才能投入使用的缺陷。本发明的装置在承受拉伸载荷时能够快速拆解，具有可灵活拆装、性能稳定的特点，因此能根据冲击物能量和场地实际情况，自由调节整体结构的规模和吸能模块的具体排布方式，简单有效地提高材料和空间利用率，同时大大降低了拆装的时间成本和人力物力成本。另外，该装置也能够根据实际工程载荷特点通过快速重新拆装进行调整，改变特征参数和连续体结构的刚度分布特征，以实现预期连续体性能。

凹槽能够灵活调节吸能模块间的搭接配合方式。而吸能模块的加工误差和组装错位对整体结构的使用性能几乎不造成影响，具备结构缺陷不敏感性。此外，具有较多数量凹槽的吸能模块可组装成具有多个自锁节点的结构，既可以规则排布设计成具有多个自锁节点的空心或实心结构，也可以随机排布设计成三维立体的可快速拓展的大规模防护结构。

附图说明

图1为本发明的吸能模块的俯视图；

图2为本发明的吸能模块的仰视图；

图3为本发明的吸能模块的正视图；

图4为本发明凹槽数量为2的吸能防护装置的组装方式示意图；

图5为图4所述吸能装置在均布压缩载荷下的变形示意图；

图6为图4所述吸能装置在集中压缩载荷下的变形示意图；

图7为图4所述吸能装置在拉伸载荷下的变形示意图；

图8为图4所述吸能装置在典型载荷下的载荷位移曲线示意图；

图9为图4所述吸能装置在典型压缩载荷下的能量位移曲线示意图；

图10为本发明凹槽数量为6的实心吸能装置示意图；

图11为本发明凹槽数量为6的空心吸能装置示意图；

图12为本发明凹槽数量为8的大规模吸能装置示意图；

其中，1、上端面；2、第一表面；3、第二表面；4、前端面；5、下端面；6、右端面；7、后端面；8、左端面。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。为了更好说明实施例，附图中部件结构会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。对本技术人员来说，附图中部件的组装方式也是可以理解的。

在本发明的描述中，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”的表述是为了描述需要，不能构成对技术特征的限定。“第一”、“第二”不是对特征数量的限定，而是为了区分不同的部件名称。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

如图1至3为可灵活拆装、快速拓展的模块化吸能防护模块，该模块呈柱状，该吸能模块为金属薄壁结构或轻质复合材料填充夹层结构。吸能模块上设有至少2个呈等距或不等距阵列排布的凹槽；凹槽之间的距离大于凹槽表面的最长边的长度。其中，凹槽等距排列的吸能模块为轴对称结构。

吸能模块呈正四棱柱，在本实施例中，如图1所示，具体的几何形状为：以a方向为上，a的反方向为下；以b方向为右，b的反方向为左；以垂直于ab平面向外的方向为前，垂直ab平面向内的方向为后。因而图1所示的吸能模块的端面包括前端面4、后端面7、上端面1、下端面5、左端面8和右端面6。左端面8和右端面6均为直径为D的球面，且左右对称；上端面1、下端面5、前端面4和后端面7均为平面，各个平面均分别与相邻的平面相互垂直。吸能模块的凹槽个数为2。其中，两个凹槽将吸能模块的上端面，前端面均分为三个小平面,其中一个小平面位于两个凹槽之间，另外两个小平面分别位于两个凹槽的侧面。

吸能模块具体的尺寸为：吸能模块的长度L与吸能模块左端面8的球面直径D相等；吸能模块的宽度与高度h相等。凹槽内包括第一表面2和第二表面3，第一表面2和第二表面3的几何形状均呈全等的等腰三角形，两个面之间的夹角为90度；第一表面2和第二表面3存在公共边，所述公共边为等腰三角形的底边，公共边的长度为

腰的长度为

相邻凹槽之间的距离至少为

在本实施例中相邻凹槽的距离为

等腰三角形的两条腰分别位于吸能模块的上端面1和前端面4上；所述腰的两个端点分别位于腰所在平面的两平行边上。

本发明的可灵活拆装、快速拓展的模块化吸能防护装置由至少6个凹槽分布相同的、两两位于同一平面且对称排列的吸能模块正交离散组装而成；在组装过程中，吸能模块两两位于同一平面且对称排列，两个吸能模块上的凹槽形成一通道；通道沿该通道方向的截面形状与吸能模块沿轴向的截面形状相同，尺寸相等。其中，由6个均具有两个2个凹槽的吸能模块正交离散组装成具有1个自锁节点的吸能防护装置；由大于6个的、具有不同凹槽数量的吸能模块正交离散组装成具有至少1个自锁节点的吸能防护装置。在本实施例中，吸能模块的轴向截面形状为边长为h的正方形，两个吸能模块对称排列时沿通道方向的截面形状为边长为h的正方形；吸能防护装置由6个上述尺寸且均具有两个2个凹槽的吸能模块穿过通道正交离散组装以形成吸能防护装置，成形后的吸能防护装置具有1个自锁节点。

为达到预期吸能防护效果，吸能防护装置由六个凹槽数量为2的吸能模块通过简便方式正交离散组装，两两位于同一平面且相互对称，通过凹槽的特殊设计使它们牢固在一起。组装过程中无需施加外界约束，组装方式和组装成的球状吸能防护结构如图4所示。此外，当吸能模块上凹槽数量为2时，整体组装结构近似于直径为D的圆球；当吸能模块上凹槽数量大于2时，吸能模块间的搭接配合方式能够灵活调节，既可以规则排布组装成长宽高均为L的正方体实心结构或空心结构，也可以随机排布组装并实现三维立体快速拓展。

实施例2

本实施例为本发明的吸能防护装置承受均布冲击载荷情况分析。

本实施例的吸能防护装置由6个凹槽数量为2的吸能模块正交组装而成，吸能模块选取为不锈钢薄壁结构，厚度为t，单个模块参数如下：L＝40mm，h＝12.73mm，t＝0.5mm。

通过有限元数值模拟计算所组装吸能防护装置承受均布冲击载荷时的吸能防护效果。采用ABAQUS/Explicit进行动态模拟。

设置冲击物为正方形刚体板来模拟均布载荷，边长大于L，设置冲击物质量为15kg，初始冲击速度为10m/s，计算得冲击能量为E＝1/2mv²＝750J。根据数值模拟结果得到吸能防护装置承受均布冲击载荷时的变形特征和载荷-位移曲线，积分可得到吸能防护装置所吸收的能量，具体的模拟结果参见图5、图8和图9。根据结果，当压缩位移达到整体结构初始高度75％时，吸能总量就可以达到700J，相当于冲击能量的93.33％。在均布冲击载荷下，吸能防护装置不但展现出稳定的变形模式，而且具备较好的吸能性能。

实施例3

本实施例为本发明的吸能防护装置承受集中冲击载荷情况分析。

本实施例的吸能防护装置由6个凹槽数量为2的吸能模块正交组装而成。吸能模块选取为不锈钢薄壁结构，厚度为t，单个模块参数如下：L＝40mm，h＝12.73mm，t＝0.5mm。

通过有限元数值模拟计算所组装吸能防护装置承受集中冲击载荷时的吸能防护效果。采用ABAQUS/Explicit进行动态模拟。

设置冲击物为球形刚体来模拟集中载荷，直径远小于L，设置冲击物质量为7.5kg，初始冲击速度为10m/s，计算得冲击能量为E＝1/2mv²＝375J。根据数值模拟结果得到吸能防护装置承受集中冲击载荷时的变形特征和载荷-位移曲线，积分可得到吸能防护装置所吸收的能量，模拟结果如图6、图8和图9所示。根据结果，当压缩位移达到整体结构初始高度75％时，吸能总量就可以达到300J，相当于冲击能量的80％。在集中冲击载荷下，吸能防护装置不但展现出稳定的变形模式，而且具备较好的吸能性能。

实施例4

本实施例为本发明的吸能防护装置承受拉伸载荷情况分析。

本实施例的吸能防护装置由6个凹槽数量为2的吸能模块构成，模块选取为不锈钢薄壁结构，厚度为t，单个模块参数如下：L＝40mm，h＝12.73mm，t＝0.5mm。

通过有限元数值模拟计算所组装吸能防护装置承受拉伸载荷时的吸能防护效果。

图7和图8分别为吸能防护装置承受拉伸载荷时的变形特征和载荷-位移曲线。根据结果，吸能防护装置在拉伸载荷下极易拆散，从而能够无需外界约束，根据实际工况需求灵活拆装，调控特征参数和连续体结构刚度分布特征，克服了传统结构一旦组装成型难以灵活调控性能的缺陷。

对于凹槽数量大于两个的吸能模块，既可以密实组装成实心吸能防护装置，也可以疏松组装为空心吸能防护装置。实心吸能装置和空心吸能装置分别如图10和图11所示。除了规则组装，还可以随机组装，灵活调控模块之间的搭配方式，从而具备三维立体快速拓展能力，具体模型参见图12，以应对破坏能力较强的工程载荷。

与现有技术相比，实施例的有益效果是：可灵活拆装、快速拓展的模块化吸能防护装置由吸能模块正交离散组装而成，无需施加外部约束即可快速组装成型，克服了传统吸能系统在组装过程中必须施加复杂外界约束才能投入使用的缺陷。该装置在承受拉伸载荷时能够快速拆解，具有可灵活拆装、性能稳定的特点，因此能根据冲击物能量和场地实际情况，自由调节整体结构的规模和吸能模块的具体排布方式，简单有效地提高材料和空间利用率，同时大大降低了拆装的时间成本和人力物力成本。另外，该装置也能够根据实际工程载荷特点通过快速重新拆装进行调整，改变特征参数和连续体结构的刚度分布特征，以实现预期连续体性能。凹槽能够灵活调节吸能模块间的搭接配合方式。而吸能模块的加工误差和组装错位对整体结构的使用性能几乎不造成影响，具备结构缺陷不敏感性。具有较多数量凹槽的吸能模块可组装成具有多个自锁节点的结构，既可以规则排布设计成具有多个自锁节点的空心或实心结构，也可以随机排布设计成三维立体的可快速拓展的大规模防护结构。

吸能防护装置的使用性能由几何拓扑结构决定，在保持基本几何特征不变的前提下，在本发明规定的范围内，可适当调节结构尺寸，不改变该系统的实用性能和功能。

以上对本发明做了详尽的描述，通过具体实施方式对本发明的原理和实施方式进行了阐述，也仅用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，包括吸能模块，其特征在于：所述吸能模块呈柱状，所述吸能模块上设有至少2个呈阵列排布的凹槽；所述凹槽之间的距离大于凹槽表面的最长边的长度；

所述吸能防护装置由凹槽分布相同的吸能模块正交离散组装而成；所述吸能模块的数量至少6个，且为偶数个；

所述吸能模块两两位于同一平面且对称排列，两个吸能模块上的凹槽形成一通道；所述通道沿垂直该通道方向的截面形状与吸能模块沿轴向的截面形状相同，尺寸相等。

2.根据权利要求1所述的可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，其特征在于：所述吸能模块为轴对称结构；所述凹槽等距排列。

3.根据权利要求1所述的可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，其特征在于：所述凹槽不等距排列。

4.根据权利要求1所述的可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，其特征在于：所述吸能防护装置由6个均具有两个2个凹槽的吸能模块正交离散组装而成；形成的吸能防护装置具有1个自锁节点。

5.根据权利要求1所述的可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，其特征在于：所述吸能防护装置由大于6个的、具有不同凹槽数量的吸能模块正交离散组装而成；形成的吸能防护装置具有至少1个自锁节点。

6.根据权利要求1所述的可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，其特征在于：所述吸能模块呈正四棱柱状；所述吸能模块的宽度与高度h相等；所述吸能模块的长度

7.根据权利要求6所述的可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，其特征在于：所述吸能模块上的每个凹槽表面包括第一表面(2)和第二表面(3)；所述第一表面(2)和第二表面(3)之间的夹角角度为90度；所述第一表面(2)和第二表面(3)的几何形状全等，为等腰三角形；

所述第一表面(2)和第二表面(3)存在公共边，所述公共边为等腰三角形的底边，公共边的长度为

等腰三角形腰的长度为

相邻凹槽之间的距离至少为

8.根据权利要求7所述的可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，其特征在于：所述等腰三角形的两条腰分别位于所述吸能模块的上端面(1)和前端面(4)上；所述腰的两个端点分别位于腰所在平面的两平行边上。

9.根据权利要求1至8任一项所述的可灵活拆装、快速拓展的吸能防护装置，其特征在于：所述吸能模块的材料为金属薄壁结构或轻质复合材料填充夹层结构。

Images