CN115143217B - 一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器和触发方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器和触发方法，该触发器包括安装座和前端压溃端头，安装座中设置有斜面触发环和切割环，复合材料设置在安装座和前端压溃端头之间。该结构本发明可以提高复合材料吸能管的吸能特性，调控吸能管压溃过程的初始峰值载荷，无需对吸能管本身进行二次加工，并且通过对挤压破坏后的纤维束进行进一步切割来提升总吸收能量提高材料利用率，可实现稳定的压溃过程，同时，可与不同的结构相连接，作为一个缓冲吸能结构件。

Description

一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器和触发方法

技术领域

本发明属于复合材料缓冲吸能技术领域，具体涉及一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器和触发方法。

背景技术

缓冲吸能装置能够在严重的突发性事故中使人员和贵重仪器的损失减小到最低，在航空航天、轨道运输和武器装备等多个领域具有广泛的应用价值。薄壁类构件由于成本低，效率高以及制造和安装简洁等优点成为目前应用最广泛的吸能元件。常见薄壁类构件主要由金属材料制成，具有结构工艺简单，制造成本较低等特点，但在碰撞过程中其吸能效率较低，而碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量大，耐化学腐蚀和可设计性强等优点，是缓冲吸能结构的理想材料。采用碳纤维复合材料代替金属材料，不仅能提升结构的吸能效率保证碰撞安全，还能实现结构轻量化设计。

然而，复合材料吸能管在吸能中会产生过大的初始峰值力，这不利于保护乘客和仪器设备的安全，通常的处理方式为对复合材料管端部进行削弱处理(如倒角)，以便降低初始载荷并引发渐进的破坏，但对端部削弱处理意味着对复合材料管进行二次加工，这往往会给复合材料吸能管本身带来缺陷并且增加了制造和试件成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器和触发方法，以解决现有技术中现有吸能管吸能过程中初始载荷过大问题，以及二次加工对吸能管带来的缺陷和成本的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器，包括安装座，所述安装座为环状，所述安装座上一体连接有同轴线的锥形凸台，所述锥形凸台的内部开设有同轴线的圆柱通孔，所述圆柱通孔中安装有斜面触发环，所述斜面触发环中安装有切割环；

复合材料吸能管的下部分安装在圆柱通孔中，复合材料吸能管上安装有前端压溃端头；

所述斜面触发环的内壁面上设置有触发斜面，所述切割环包括一体成型的切割刃加固环和切割刃，所述切割刃沿切割刃加固环的周向等分设置。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述安装座包括安装座法兰，所述锥形凸台设置在安装座法兰上。

优选的，所述安装座法兰的内环边上均布有斜面触发环拆卸孔，所述斜面触发环通过斜面触发环拆卸孔和安装座法兰的内环边连接。

优选的，所述锥形凸台内侧壁的上端设置有引导圆角。

优选的，所述触发斜面和底面之间夹角为α，0≤α＜90°。

优选的，所述切割刃加固环设置在斜面触发环中。

优选的，所述切割刃的形状为三棱锥。

优选的，所述压溃端头包括圆环，所述圆环的内圈设置有向下突出的凸台，凸台插入在复合材料吸能管中。

优选的，所述凸台的外壁面下边缘设置有圆环倒角。

一种基于上述触发器的高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发方法，包括以下步骤：

步骤1，将复合材料吸能管的下端安装在圆柱通孔中；

步骤2，将前端压溃端头安装在复合材料吸能管的上端，前端压溃端头、复合材料吸能管和圆柱通孔同轴线；

步骤3，整个装置受到冲击破坏，前端压溃端头将载荷传递至复合材料吸能管，复合材料吸能管沿安装座的轴线向下移动，当复合材料吸能管接触到触发斜面时，复合材料吸能管被挤压向中心收缩，当复合材料吸能管接触切割刃时，复合材料吸能管被撕裂为条状纤维束，条状纤维束从圆柱通孔中被排出。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器，该触发器包括安装座和前端压溃端头，安装座中设置有斜面触发环和切割环，复合材料设置在安装座和前端压溃端头之间。该结构本发明可以提高复合材料吸能管的吸能特性，调控吸能管压溃过程的初始峰值载荷，无需对吸能管本身进行二次加工，并且通过对挤压破坏后的纤维束进行进一步切割来提升总吸收能量提高材料利用率，可实现稳定的压溃过程，同时，可与不同的结构相连接，作为一个缓冲吸能结构件。

本发明还公开了一种基于高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器的触发方法，该方法首先将复合材料吸能管安装在安装座和前端压溃端头中，当接触到外部载荷时，随着复合材料吸能管的向下运动，复合材料吸能管将通过被切割刃切割成的条状纤维束释放出去，完成缓冲释能。

附图说明

图1为本发明的分解结构示意图；

图2为本发明的整体结构半剖示意图；

图3为本发明复合材料吸能管前端压溃端头剖视结构示意图；

图4为本发明复合材料吸能管后端的安装座剖视结构示意图；

图5为本发明复合材料吸能管后端俯视结构示意图；

图6为本发明斜面触发环结构示意图；

图7为本发明切割环结构示意图。

其中1-前端压溃端头，2-复合材料吸能管，3-斜面触发环，4-切割环，5-安装座，6-前端圆环倒角，7-引导圆角，8-斜面触发环拆卸孔，9-安装座法兰，10-锥形凸台，11-触发斜面，12-切割刃，13-切割刃加固环，14-圆环，15-凸台，16-圆柱通孔，17-支撑部，18-触发部。

具体实施方式

所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2所示，一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器，包括吸能管前端压溃端头1、复合材料吸能管2、斜面触发环3、切割环4和复合材料吸能管后端的安装座5。压溃端头1与复合材料吸能管前端相连；所述的斜面触发环3位于安装座5内部，斜面触发环3的外壁与锥形凸台10的内侧壁的内壁接触配合，斜面触发环3的下端通过斜面触发环拆卸孔10与安装座法兰9的内环边连接；所述的切割环4外壁与斜面触发环3的内壁配合连接，切割环4的底端与安装座5内凸缘底端接触贴紧；所述的复合材料吸能管2下端与安装座5内孔连接。

如图3所示，压溃端头1的主体形状为板状的圆环14，在圆环14的内圈设置有向下的凸台15，凸台15垂直于圆环14所在的平面，凸台15的内壁面为平面，凸台15的外壁面下边缘设置有圆环倒角6，用于引导压溃端头与复合材料管的连接，并且避免在压溃过程中凸台边缘与吸能管产生过大应力集中。

如图4、图5所示，安装座包括安装座引导圆角7、斜面触发环拆卸孔8、安装座法兰9和安装座锥形凸台10。

安装座法兰9为环状结构，沿安装座法兰9的周向，均布有连接通孔，通过连接通孔安装座法兰9与外部设备连接；安装座法兰9上设置有同轴线的锥形凸台10，用于支撑复合材料吸能管，确保安装座不发生破坏；安装座法兰9和锥形凸台10一体连接，锥形凸台10为锥台形状，锥形凸台10的中心开设有同轴线的圆柱通孔16。锥形凸台10的内底边和安装座法兰9的内环边之间有距离，即锥形凸台10的内壁面和安装法兰9的内环壁面不是同一个平面，安装座法兰9的内环边上，沿其周向均布有斜面触发环拆卸孔8，用于斜面触发环和切割环的更换与拆卸，通过在安装座底面插入圆销将斜面触发环顶出安装座内部，优选的，斜面触发环拆卸孔8设置有三个，便于斜面触发环3和切割环4的更换与拆卸。锥形凸台10内侧壁的上端设置有引导圆角7，用于引导复合材料吸能管和安装座连接，更容易安装，且确保在微倾斜冲击条件下的吸能管不会发生局部应力集中而屈曲破坏。

如图6所示，斜面触发环3包括一体连接两部分支撑部17和触发部18；支撑部17在触发部18的下部；支撑部17的截面为矩形，即截面为矩形的圆环，触发部18的外壁面和支撑部17的外壁面位于统一圆柱面，支撑部17内测相对与触发部18内测突出，与触发斜面11构成触发部18，触发部18的内壁面由一个与底面呈一定角度的斜面和一个与底面平行的平面组成，内侧壁设置触发斜面11，触发斜面与底面呈一定角度α(角度范围为大于等于0°小于90°)，可以通过改变触发斜面的角度调控复合材料吸能管的初始峰值载荷、载荷波动性和稳定载荷值，且斜面触发环设置为和更换零件，便于复合材料吸能管2的吸能特性调控。斜面触发环3，用于复合材料吸能管2的触发，使得复合材料吸能管能够在触发斜面11上被挤压破坏。

如图7所示，切割环4包括一体成形的切割刃12和切割刃加固环13；安装时，切割环4套装在斜面触发环3的内部，然后共同装入至安装座5的圆柱通孔16中，切割刃12沿切割刃加固环13的周向等分设置，切割刃12的形状为三棱锥，三棱锥的内测表面与切割刃加固环13的内壁面位于统一圆柱面，底面为近正三角形，高度大于复合材料吸能管2的壁厚。切割环4用于切割被斜面触发环3挤压破坏后的纤维束，进一步吸收能量，便于纤维束排除。

当复合材料吸能管安装时，压溃端头1安装在复合材料吸能管2的上端，凸台15插入至复合材料吸能管2中，凸台15与吸能管内壁配合，吸能管顶端与凸台15的底面接触。复合材料吸能管2的下端插入在锥形凸台10的圆柱通孔16中，锥形凸台10的内侧壁和复合材料吸能管2的外侧壁接触配合。

该装置的使用过程：

整个装置在受到轴向的冲击破坏作用时，前端压溃端头在外界载荷作用下将载荷传递到复合材料吸能管，促使吸能管在轴向沿安装座内孔向下移动，当吸能管下端接触到斜面触发后，吸能管外壁首先在斜面挤压下发生破坏，并随着吸能管不断运动，吸能管整个管壁在触发斜面的挤压下向圆心收缩，由于应力集中复合材料吸能管外壁会首先发生破坏并不断向下传递，当挤压破坏后的吸能管收缩移动到切割刃后，在切割刃作用下，挤压破坏后的吸能管进一步被撕裂为一定宽度的条状纤维束，发生纤维轴向的裂纹扩展再次吸收冲击能量，最终从安装座下方圆孔中排除。本发明可根据需要吸收的冲击能量，合理选择斜面触发环的角度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器，其特征在于，包括安装座(5)，所述安装座(5)为环状，所述安装座(5)上一体连接有同轴线的锥形凸台(10)，所述锥形凸台(10)的内部开设有同轴线的圆柱通孔(16)，所述圆柱通孔(16)中安装有斜面触发环(3)，所述斜面触发环(3)中安装有切割环(4)；

复合材料吸能管(2)的下部分安装在圆柱通孔(16)中，复合材料吸能管(2)上安装有前端压溃端头(1)；

所述斜面触发环(3)的内壁面上设置有触发斜面(11)，所述切割环(4)包括一体成型的切割刃加固环(13)和切割刃(12)，所述切割刃(12)沿切割刃加固环(13)的周向等分设置；

所述安装座(5)包括安装座法兰(9)，所述锥形凸台(10)设置在安装座法兰(9)上；

所述安装座法兰(9)的内环边上均布有斜面触发环拆卸孔(8)，用于斜面触发环(3)和切割环(4)的更换与拆卸，所述斜面触发环(3)通过斜面触发环拆卸孔(8)和安装座法兰(9)的内环边连接；

所述触发斜面和底面之间夹角为α，0≤α＜90°；通过改变触发斜面的角度调控复合材料吸能管的初始峰值载荷、载荷波动性和稳定载荷值。

2.根据权利要求1所述的一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器，其特征在于，所述锥形凸台(10)内侧壁的上端设置有引导圆角(7)。

3.根据权利要求1所述的一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器，其特征在于，所述切割刃加固环(13)设置在斜面触发环(3)中。

4.根据权利要求1所述的一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器，其特征在于，所述切割刃(12)的形状为三棱锥。

5.根据权利要求1所述的一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器，其特征在于，所述压溃端头(1)包括圆环(14)，所述圆环(14)的内圈设置有向下突出的凸台(15)，凸台(15)插入在复合材料吸能管(2)中。

6.根据权利要求5所述的一种高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发器，其特征在于，所述凸台(15)的外壁面下边缘设置有圆环倒角(6)。

7.一种基于权利要求1所述触发器的高材料利用率的复合材料管冲击吸能触发方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将复合材料吸能管(2)的下端安装在圆柱通孔(16)中；

步骤2，将前端压溃端头(1)安装在复合材料吸能管(2)的上端，前端压溃端头(1)、复合材料吸能管(2)和圆柱通孔(16)同轴线；

步骤3，整个装置受到冲击破坏，前端压溃端头(1)将载荷传递至复合材料吸能管(2)，复合材料吸能管(2)沿安装座(5)的轴线向下移动，当复合材料吸能管(2)接触到触发斜面(11)时，复合材料吸能管(2)被挤压向中心收缩，当复合材料吸能管(2)接触切割刃(12)时，复合材料吸能管(2)被撕裂为条状纤维束，条状纤维束从圆柱通孔(16)中被排出。