CN114454911B - 一种多管组合式吸能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多管组合式吸能装置，其后端板上设有多根吸能管，多根吸能管的轴向高度各不相等且按照轴向高度依次递减的顺序从1开始依次编号，各吸能管包括多个沿轴向依次连接的折纹组件且多个折纹组件沿正向方向从1开始依次编号，吸能管的轴向高度值由公式一获得，各吸能管的第1个和最后1个折纹组件的轴向高度不相等，各吸能管除第1个和最后1个以外的折纹组件的轴向高度相等且其轴向高度值由公式二获得。本发明通过设置不同高度的吸能管和不同高度的折纹组件，使各个吸能管的峰值载荷之间产生一定间隔，即峰值载荷得到充分分离，从而大幅降低组合结构的初始峰值载荷，从而实现高吸能量、低初始峰值、小载荷波动完美兼容。

Description

一种多管组合式吸能装置
技术领域
本发明涉及车辆车身结构技术领域，具体涉及一种多管组合式吸能装置。
背景技术
目前，随着地面交通运输工具运行速度的不断加快，各类碰撞事件发生的概率也不断增加。交通运输工具在高速行驶中的碰撞会造成严重的经济损失及人员伤害，为降低这一类碰撞所造成的损失，最为有效的方法是在运输工具关键部位安装用于能量吸收的吸能装置。目前，常见的吸能装置是以金属薄壁管结构及其衍生出的夹心结构等最为常见，这些结构通过较大的塑性变形吸收、耗散碰撞能量。这一类的吸能装置应用非常广泛，尤其最为常见的车辆加工制造业。此外，在航空航天、火车、船舶等领域均涉及其应用。
吸能装置作为轨道车辆耐撞性结构中的关键性能量耗散装置，其吸能特性直接影响车辆在整个碰撞过程中的诸多性能，从而决定整个车体结构在事故发生后的力学行为和变形情况。随着碰撞安全速度标准的提高，传统的薄壁吸能元件已然不能满足日益严苛的耗能要求，组合式复合吸能装置的研发是未来车辆吸能装置的发展趋势。
目前，组合式吸能装置的研究主要针对单一管件从材料特性、组件填充、截面特征设计等方面展开，所得研究成果也仅限于单一薄壁元件的最优吸能特性。面对越来越庞大的撞击能量，此性能的提升幅度显然难以达到目标值。相比而言，多管件的组合应用是一种能显著提升装置能量耗散能力的切实可行思路。然而既有多管组合式吸能元件的研究主要基于相同构型，存在峰值载荷易叠加、载荷波动幅值大等缺陷，显然不利于乘员的安全防护。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种多管组合式吸能装置，使各个吸能管的峰值载荷之间产生一定间隔从而大幅降低组合结构的所有峰值载荷。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种多管组合式吸能装置，包括后端板（1），所述后端板（1）上设有多根吸能管（2），以所述吸能管（2）垂直于所述后端板（1）方向为轴向，以所述吸能管（2）远离所述后端板（1）的方向为正向，多根所述吸能管（2）的轴向高度各不相等且按照轴向高度依次递减的顺序从1开始依次编号，各所述吸能管（2）包括多个沿轴向依次连接的折纹组件（21）且多个折纹组件（21）沿所述正向方向从1开始依次编号，所述吸能管（2）的轴向高度值由公式一获得，所述公式一为：
Figure SMS_1
，各所述吸能管（2）的第1个和最后1个所述折纹组件（21）的轴向高度不相等，各所述吸能管（2）除第1个和最后1个以外的所述折纹组件（21）的轴向高度相等且其轴向高度值由公式二获得，所述公式二为：/>
Figure SMS_2
，上述公式中：/>
Figure SMS_3
为第i根所述吸能管（2）的轴向高度，H 0为设定所述吸能管（2）初始轴向高度，i为第i根所述吸能管（2）的序号，ΔH为设定所述吸能管（2）的轴向高度差，/>
Figure SMS_4
为第i根折纹管的第n个所述折纹组件（21）的轴向高度，m为各所述吸能管（2）上的所述折纹组件（21）的个数。
进一步的，各所述吸能管（2）中，第1个所述折纹组件（21）的轴向高度值由公式三获得，所述公式三为：
Figure SMS_5
，最后1个所述折纹组件（21）的轴向高度值由公式四获得，所述公式四为：/>
Figure SMS_6
，上述公式中：/>
Figure SMS_7
为第i根折纹管的第n个所述折纹组件（21）的轴向高度，H 0为设定所述吸能管（2）初始轴向高度，m为各所述吸能管（2）上的所述折纹组件（21）的个数，ΔC为相邻两个所述吸能管（2）的最后1个所述折纹组件（21）的设定轴向高度差，N为所述吸能管（2）的根数，i为第i根所述吸能管（2）的序号，ΔH为设定所述吸能管（2）的轴向高度差。
进一步的，所述N的取值范围为5~7，所述ΔH的取值范围为1mm~3mm，所述ΔC的取值范围由公式五获得，所述公式五为：
Figure SMS_8
，所述m的取值范围由公式六获得，所述公式六为：/>
Figure SMS_9
，上述公式中：N为所述吸能管的根数，ΔH为设定所述吸能管轴向高度差，ΔC为相邻两个所述吸能管的最后1个所述折纹组件的设定轴向高度差，H 0设定为所述吸能管初始轴向高度，m为各所述吸能管上的所述折纹组件的个数，T为所述吸能管的壁厚，L为管件的厚度和长度。
进一步的，所述N的取值为6，所述H 0的取值为150mm，所述m的取值为4，所述ΔH的取值为2mm，所述ΔC的取值为3mm。
进一步的，相邻两根所述吸能管之间设有用于所述吸能管在受压变形时互不接触的间距。
进一步的，多根所述吸能管以矩阵的形式布置。
进一步的，所述后端板上设有包裹所述吸能管的外壳，所述外壳上连接有用于与所述外壳一起将所述吸能管包围的前端板。
进一步的，所述折纹组件包括两个轴向连接且相对于连接面呈镜像设置的折纹件，所述折纹件垂直于轴向的截面的面积沿轴向远离连接面的方向逐渐减小或逐渐增大。
进一步的，所述折纹件垂直于轴向的截面均为矩形。
进一步的，所述截面的矩形中一个方向上一对相对的两条边设定为L，所述截面的矩形中另一对相对的两条边为W，所述折纹件沿轴向两端的所述L的差设定为ΔL，所述折纹件沿轴向两端的所述W的差设定为ΔW，所述ΔL与ΔW的取值范围均为[
Figure SMS_10
tan5°,/>
Figure SMS_11
tan10°]。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过设置不同高度的吸能管和不同高度的折纹组件，使各个吸能管的峰值载荷之间产生一定间隔，即峰值载荷得到充分分离，从而大幅降低组合结构的所有峰值载荷，从而实现高吸能量、低初始峰值、小载荷波动完美兼容。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的内部结构示意图；
图3为本发明的吸能管和折纹组件高度的示意图；
图4为本发明多个吸能管的折纹组件高度的示意图；
图5为传统吸能管的结构示意图；
图6为传统吸能管高度的示意图；
图7为传统吸能管压缩阶段图；
图8为本发明预期效果的位移曲线图一；
图9为本发明预期效果的位移曲线图二；
图10为本发明载荷的位移曲线图一；
图11为本发明载荷的位移曲线图二；
图12为本发明载荷的位移曲线图三；
图13为本发明结果对比的位移曲线图。
图例说明：
1、后端板；2、吸能管；21、折纹组件；211、折纹件；3、外壳；4、前端板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-图13所示，本实施例的一种多管组合式吸能装置，包括后端板1，后端板1上设有多根吸能管2，以吸能管2垂直于后端板1方向为轴向，以吸能管2远离后端板1的方向为正向，多根吸能管2的轴向高度各不相等且按照轴向高度依次递减的顺序从1开始依次编号，各吸能管2包括多个沿轴向依次连接的折纹组件21且多个折纹组件21沿正向方向从1开始依次编号，吸能管2的轴向高度值由公式一获得，公式一为：
Figure SMS_12
，各吸能管2的第1个和最后1个折纹组件21的轴向高度不相等，各吸能管2除第1个和最后1个以外的折纹组件21的轴向高度相等且其轴向高度值由公式二获得，公式二为：/>
Figure SMS_13
，上述公式中：/>
Figure SMS_14
为第i根吸能管2的轴向高度，H 0为设定吸能管2初始轴向高度，i为第i根吸能管2的序号，ΔH为设定吸能管2的轴向高度差，/>
Figure SMS_15
为第i根折纹管的第n个折纹组件21的轴向高度，m为各吸能管2上的折纹组件21的个数。
各吸能管2中，第1个折纹组件21的轴向高度值由公式三获得，公式三为：
Figure SMS_16
，最后1个折纹组件21的轴向高度值由公式四获得，公式四为：/>
Figure SMS_17
，上述公式中：/>
Figure SMS_18
为第i根折纹管的第n个所述折纹组件21的轴向高度，H 0为设定所述吸能管2初始轴向高度，m为各所述吸能管2上的所述折纹组件21的个数，ΔC为相邻两个所述吸能管2的最后1个所述折纹组件21的设定轴向高度差，N为所述吸能管2的根数，i为第i根所述吸能管2的序号，ΔH为设定所述吸能管2的轴向高度差。
N的取值范围为5~7，ΔH的取值范围为1mm~3mm，ΔC的取值范围由公式五获得，公式五为：
Figure SMS_19
，m的取值范围由公式六获得，公式六为：/>
Figure SMS_20
，上述公式中：N为所述吸能管2的根数，ΔH为设定所述吸能管2的轴向高度差，ΔC为相邻两个所述吸能管2的最后1个所述折纹组件21的设定轴向高度差，H 0设定为所述吸能管2初始轴向高度，m为各所述吸能管2上的所述折纹组件21的个数，T为所述吸能管2的壁厚，L为管件的厚度和长度。ΔH若取值太小则不能使各管初始峰值载荷充分分离，无法达到大幅降低整体装置初始峰值载荷的目的；若ΔH取值太大则会使后续吸能管2的吸能行程大幅降低，影响结构的能量耗散能力。m若取值太小则导致吸能管2峰值载荷数目太少，各管峰值载荷不能充分填满整个压缩行程区间，不能有效降低载荷波动，同时若m太小，不易控制峰值载荷的形成时序；ΔC若取值太小则不能使各管后续峰值载荷充分分离，无法达到大幅降低整体装置载荷波动的目的；ΔC若取值太大则限制了吸能管2的数量，不能有效提升总体装置的能量耗散能力；m若取值太大则会导致峰值载荷数目过多，各管峰值载荷的分布空间过小，可布置的吸能管2数量会受到较大限制，同时吸能管2的载荷值也会大幅降低，影响整个吸能装置的能量耗散能力。
N的取值为6，H 0的取值为150mm，m的取值为4，ΔH的取值为2mm，ΔC的取值为3mm。m若取值太小则导致吸能管2峰值载荷数目太少，各管峰值载荷不能充分填满整个压缩行程区间，不能有效降低载荷波动，同时若m太小，不易控制峰值载荷的形成时序；m若取值太大则会导致峰值载荷数目过多，各管峰值载荷的分布空间过小，可布置的吸能管2数量会受到较大限制，同时吸能管2的载荷值也会大幅降低，影响整个吸能装置的能量耗散能力。
多根吸能管2以矩阵的形式布置。可更好地实现能量耗散能力。
相邻两根吸能管2之间设有用于吸能管2在受压变形时互不接触的间距。
多根吸能管2以矩阵的形式布置。
后端板1上设有包裹吸能管2的外壳3，外壳3上连接有用于与外壳3一起将吸能管2包围的前端板4。
折纹组件21包括两个轴向连接且相对于连接面呈镜像设置的折纹件211，折纹件211垂直于轴向的截面的面积沿轴向远离连接面的方向逐渐减小或逐渐增大。
折纹件211垂直于轴向的截面均为矩形。
截面的矩形中一个方向上一对相对的两条边设定为L，截面的矩形中另一对相对的两条边为W，折纹件211沿轴向两端的L的差设定为ΔL，折纹件211沿轴向两端的W的差设定为ΔW，ΔL与ΔW的取值范围均为[
Figure SMS_21
tan5°,/>
Figure SMS_22
tan10°]。
ΔL和ΔW两个参数所决定的，分别是折纹沿长度方向突出的角度和沿宽度方向内凹的角度，ΔL和ΔW的取值若太小则不能很好地引导吸能管2按折纹组件21的分布高度进行变形，即不能有效地控制后续峰值载荷的形成时序；若度数太大则会使载荷下降幅度太大，影响整个吸能装置的能量耗散能力。
由于吸能管2具有不同的构型特征，在压缩过程中各吸能管2褶皱的变形起始及持续时间均存在差异，折纹组件21为变截面倾斜，诱导吸能管2形成指定褶皱特征，即变形褶皱具有不同的起始变形时间和持续时间，使得各吸能管2所有载荷峰值得到充分分离从而显著降低组合结构的载荷波动。
本实施例采用六根吸能吸能管2，其公式中的H 0=150mm，m=4，ΔH=2mm，ΔC=3mm，吸能管2的材料类型为6061铝合金，由上述公式获得吸能管2和折纹组件21的结构参数如表1所示：
表1 吸能管2和折纹组件21的结构参数
Figure SMS_23
如图5-图7的传统吸能管2的载荷-位移曲线上的峰值载荷与褶皱成形过程息息相关，每个一个变形褶皱的都意味着载荷曲线会出现相应的波峰值和波谷值。由于吸能管2的构型特征直接关联褶皱的变形过程，赋予吸能管2合适的构型特征显然可以达到根据实际需求来控制吸能吸能管2峰值载荷形成时序的目的，但是多根吸能管2组合式吸能装置的研究主要基于相同构型展开，ΔL=ΔW=2mm，在组合吸能过程中各吸能管2的载荷曲线将会完全重叠。虽然直接组合应用后整体装置的能量耗散能力得到明显提升，但组合结构的初始峰值和后续载荷波动也会随着吸能管2数量而显著增大，显然不利于撞击动能的平稳耗散。
本多管组合式吸能装置针对每根吸能管2展开构型设计，设计各吸能管2合适各异的高度和折纹分布形式。由于吸能管2具有不同的构型特征，在压缩过程中各吸能管2褶皱的变形起始及持续时间均存在差异，因此各吸能管2载荷-位移曲线之间将产生一定的时序差，即各吸能管2峰值载荷将得到充分分离，从而实现高能量耗散、低初始峰值、小载荷波动等优异吸能特性的完美兼容。其中，如图8和图9所示，高度差构型特征引入主要作用为使各吸能管2起始变形时间产生一定间隔从而大幅降低组合结构的初始峰值载荷；变折纹分布构型特征引入主要作用为改变各吸能管2褶皱的变形持续时间，使各吸能管2后续载荷峰值得到充分分离从而显著降低组合结构的后续载荷波动。通过合理组合使用上述两种构型可使多吸能管2组合式吸能装置既拥有如蜂窝结构般平稳的撞击力曲线，又可突破后者所面临平台应力难以进一步提升的技术瓶颈。
图10展示了仅引入高度差构型时各管件的载荷-位移图，可以发现虽然各吸能管2初始峰值载荷之间形成了一定时序差，但各吸能管2后续峰值载荷仍存在明显的重叠现象，显然无法实现小载荷波动的目标。图11展示了仅引入变折纹分布构型时各管件的载荷-位移图，可以发现虽然各吸能管2后续峰值载荷得到有效分离但各吸能管2初始峰值载荷完全重叠，显然难以实现小初始峰值载荷的目标。图12展示了同时引入高度差及变折纹分布时各吸能管2的载荷-位移图，可以发现各吸能管2所有峰值载荷均得到充分分离，可在保持小初始载荷峰值的同时最大程度地降低组合结构的后续载荷波动。图13展示了本发明异构六根吸能管2组合吸能装置与传统同构六根吸能管2组合吸能装置的结果对比，可以发现在同时引入高度差构型和变折纹分布构型后组合吸能管2的载荷-位移曲线十分平稳几乎没有出现明显的峰值载荷，显然更利于保护乘员安全。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多管组合式吸能装置，包括后端板（1），所述后端板（1）上设有多根吸能管（2），以所述吸能管（2）垂直于所述后端板（1）方向为轴向，以所述吸能管（2）远离所述后端板（1）的方向为正向，其特征在于，多根所述吸能管（2）的轴向高度各不相等且按照轴向高度依次递减的顺序从1开始依次编号，各所述吸能管（2）包括多个沿轴向依次连接的折纹组件（21）且多个折纹组件（21）沿所述正向方向从1开始依次编号，所述吸能管（2）的轴向高度值由公式一获得，所述公式一为：
Figure QLYQS_1
，各所述吸能管（2）的第1个和最后1个所述折纹组件（21）的轴向高度不相等，各所述吸能管（2）除第1个和最后1个以外的所述折纹组件（21）的轴向高度相等且其轴向高度值由公式二获得，所述公式二为：/>
Figure QLYQS_2
，上述公式中：/>
Figure QLYQS_3
为第i根所述吸能管（2）的轴向高度，H 0为设定所述吸能管（2）初始轴向高度，i为第i根所述吸能管（2）的序号，ΔH为设定所述吸能管（2）的轴向高度差，/>
Figure QLYQS_4
为第i根折纹管的第n个所述折纹组件（21）的轴向高度，m为各所述吸能管（2）上的所述折纹组件（21）的个数，各所述吸能管（2）中，第1个所述折纹组件（21）的轴向高度值由公式三获得，所述公式三为：
Figure QLYQS_5
，最后1个所述折纹组件（21）的轴向高度值由公式四获得，所述公式四为：/>
Figure QLYQS_6
，上述公式中：/>
Figure QLYQS_7
为第i根折纹管的第n个所述折纹组件（21）的轴向高度，H 0为设定所述吸能管（2）初始轴向高度，m为各所述吸能管（2）上的所述折纹组件（21）的个数，ΔC为相邻两个所述吸能管（2）的最后1个所述折纹组件（21）的设定轴向高度差，N为所述吸能管（2）的根数，i为第i根所述吸能管（2）的序号，ΔH为设定所述吸能管（2）的轴向高度差。
2.根据权利要求1所述的一种多管组合式吸能装置，其特征在于，所述N的取值为6，所述H 0的取值为150mm，所述m的取值为4，所述ΔH的取值为2mm，所述ΔC的取值为3mm。
3.根据权利要求1所述的一种多管组合式吸能装置，其特征在于，相邻两根所述吸能管（2）之间设有用于所述吸能管（2）在受压变形时互不接触的间距。
4.根据权利要求3所述的一种多管组合式吸能装置，其特征在于，多根所述吸能管（2）以矩阵的形式布置。
5.根据权利要求1所述的一种多管组合式吸能装置，其特征在于，所述后端板（1）上设有包裹所述吸能管（2）的外壳（3），所述外壳（3）上连接有用于与所述外壳（3）一起将所述吸能管（2）包围的前端板（4）。
6.根据权利要求1-5中任一所述的一种多管组合式吸能装置，其特征在于，所述折纹组件（21）包括两个轴向连接且相对于连接面呈镜像设置的折纹件（211），所述折纹件（211）垂直于轴向的截面的面积沿轴向远离连接面的方向逐渐减小或逐渐增大。
7.根据权利要求6所述的一种多管组合式吸能装置，其特征在于，所述折纹件（211）垂直于轴向的截面均为矩形。
8. 根据权利要求7所述的一种多管组合式吸能装置，其特征在于，所述截面的矩形中一个方向上一对相对的两条边设定为L，所述截面的矩形中另一对相对的两条边为W，所述折纹件（211）沿轴向两端的所述L的差设定为ΔL，所述折纹件（211）沿轴向两端的所述W的差设定为ΔW，所述ΔL与ΔW的取值范围均为[
Figure QLYQS_8
tan5°, />
Figure QLYQS_9
tan10°]。/>
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预折纹管在低速冲击载荷作用下的能量吸收;王博;爆炸与冲击;第35卷(第04期);全文 *

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