CN115534852B - 基于管件高度-诱导环分布差异化设计的多管吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于管件高度‑诱导环分布差异化设计的多管吸能装置，包括顶部的防爬器、底部的后端板、周围的薄壁外壳组成的空间，空间内设有多根吸能管；每根吸能管具有不同的高度，并且每根吸能管上均设有诱导环。本发明构造的构型差异化多管组合式吸能装置通过合理设计各管件高度和诱导环分布位置来控制各管峰值载荷的形成时序，使各管载荷‑位移曲线充分分离，可在提高结构吸能量的同时最大程度地降低初始峰值和载荷波动，突破了高吸能量、低初始峰值、小载荷波动无法兼容的技术瓶颈。

Description

基于管件高度-诱导环分布差异化设计的多管吸能装置

技术领域

本发明属于吸能结构结束领域，具体涉及一种基于管件高度-诱导环分布差异化设计的多管吸能装置。

背景技术

车辆间碰撞事故无法因主动安全防护技术的发展而得到完全避免，前端吸能结构的研究仍有重大意义。其中，薄壁吸能管件凭借着变形有序可控、构造简单等优势而得到广泛应用。然而，随着耐撞性标准的不断提升，单一薄壁吸能管件逐渐难以满足吸能需求，亟需开发出高性能组合式吸能结构。

组合式吸能结构的研究主要从高性能材料填充和多胞结构设计两个方面展开。其中，前者主要指向薄壁管件中填充泡沫铝、蜂窝、拉胀结构等多孔材料以增强组合结构的吸能特性，而后者是指向薄壁管件内部增设肋板、加强筋、隔板等来提升结构的吸能特性。显然，上述研究主要针对单一管件进行优化设计，结构的吸能量存在提升瓶颈。而且，由于多孔材料和多胞配置通常具有复杂的结构形式，导致加工工艺复杂和成本高等缺陷。相比较而言，对多管件进行组合应用是一种简单高效的吸能性能提升方法。然而目前该方向的研究仅仅是类似管件的简单组合，显然无法使各管载荷曲线得到充分分离。由于各管峰值载荷相互叠加，传统同构型参数多管组合结构虽然具有较高的吸能量，但无法兼容低初始峰值和小载荷波动等吸能特性，显然无法实现碰撞动能平稳有序耗散的目标，司乘人员的安全防护无法得到充分保障。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于管件高度-诱导环分布差异化设计的多管吸能装置，具体技术方案为：

基于管件高度-诱导环分布差异化设计的多管吸能装置，包括顶部的防爬器(1)、底部的后端板(4)、周围的薄壁外壳(3)组成的空间，空间内设有多根吸能管(2)；每根吸能管(2)具有不同的高度，并且每根吸能管(2)上均设有诱导环。

优选的，吸能管(2)由初始吸能管件制备而成；

初始吸能管件长度L、宽度W、高度H，厚度t；

高度为T、厚度为Δt的N个诱导环将整个管件划分为N+1个区域，每个区域的高度为R_in，i为管件的序号，n为每个区域的序号；

由于诱导环的约束作用，在轴向载荷作用下管件被划分的每个区域会按顺序形成一个个变形褶皱，每个变形褶皱的形成也会使载荷-位移曲线上出现对应的波峰值和波谷值，即划分的每个区域R_in也会对应载荷-位移曲线上的一段区间D_n；通过改变区域高度R_in使该区域褶皱的变形持续时间发生改变，即改变对应的D_n值，从而影响后续变形褶皱的变形时间，进而达到控制后续载荷-位移曲线形成时序的目的；在使各管R_in产生差异的同时引入合适的高度差ΔH使各管R_i1区域的起始变形时间产生差异，从而达到各管区间内载荷-位移曲线均产生差异的目的；

诱导环和管件的结构参数计算方法如下：

诱导环数量N通过下式计算：

诱导环的厚度Δt和高度T由下式进行确定：

Δt＝T＝2t (2)

经过差异化设计后各管高度H_i的计算公式如下：

H_i＝H-ΔH(i-1) (3)

i＝1,2…,a (4)

高度差ΔH和管件数量a的取值由下式确定：

R_in表示第i根吸能管从上至下第n个区域的的高度，当n＝1时第i根管件R_in的计算公式为：

当n＝2～N时第i根管件R_in的计算公式为：

当n＝N+1时第i根管件R_in计算公式为：

ΔR为相邻管件之间诱导环的平移间距，其值由下式确定：

根据式(1)-(9)以及管件的初始结构参数，可确定诱导环数量N、管件数量a、管件高度差ΔH、诱导环平移间距ΔR、诱导环厚度Δt、诱导环高度T。

本发明构造的构型差异化多管组合式吸能装置通过合理设计各管件高度和诱导环分布位置来控制各管峰值载荷的形成时序，使各管载荷-位移曲线充分分离，可在提高结构吸能量的同时最大程度地降低初始峰值和载荷波动，突破了高吸能量、低初始峰值、小载荷波动无法兼容的技术瓶颈。

附图说明

图1为本发明的吸能结构示意图；

图2为本发明的初始吸能管件示意图；

图3为本发明的峰值载荷控制方法示意图；

图4为本发明的吸能管件差异化设计思路；

图5为实施例差异化六管结构示意图；

图6为实施例差异化多管组合结构理想效果；

图7为实施例变高度工况多管载荷-位移曲线；

图8为实施例变诱导环分布工况多管载荷-位移曲线；

图9为实施例变高度及诱导环分布工况多管载荷-位移曲线；

图10为实施例多管组合式吸能结构结果对比。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，基于管件高度-诱导环分布差异化设计的多管吸能装置，由防爬器1、吸能管2、薄壁外壳3和后端板4组成。其中每根吸能管2具有不同的高度和诱导环分布形式，后端板4用以固定吸能管件2，防爬器1和后端板4之间连接着薄壁外壳3以提高结构的吸能稳定性。

吸能管2由初始吸能管件制备而成。

如图2所示，以初始吸能管件长度L＝50mm、宽度W＝50mm、高度H＝150mm，厚度t＝2mm为例。高度为T、厚度为Δt的N个诱导环将整个管件划分为N+1个区域，每个区域的高度为R_in(i为管件的序号，n为每个区域的序号)。

如图3所示，以诱导环数量N＝4为例，由于诱导环的约束作用，在轴向载荷作用下管件被划分的每个区域会按顺序形成一个个变形褶皱，每个变形褶皱的形成也会使载荷-位移曲线上出现对应的波峰值和波谷值，即划分的每个区域R_in也会对应载荷-位移曲线上的一段区间D_n。因此，通过改变区域高度R_in可以使该区域褶皱的变形持续时间发生改变，即改变对应的D_n值，从而影响后续变形褶皱的变形时间，进而达到控制后续载荷-位移曲线形成时序的目的。例如，当R_i1增大时，D₁会随之增大，D₂至D₅会随之减小，则变形褶皱2～4发生变形的时间会推迟，相应峰值载荷的形成时间也会推迟，这样载荷-位移曲线将在D₂至D₅区间形成一定差异。显然上述方法仅能使多管D₁区间以后的载荷-位移曲线产生差异，无法使各管D₁区间内的载荷-位移曲线有效分离。因此，如图4所示，在使各管R_in产生差异的同时引入合适的高度差ΔH使各管R_i1区域的起始变形时间产生差异，从而达到各管D₁至D₅区间内载荷-位移曲线均产生差异的目的。为使各管载荷-位移曲线得到充分分离从而实现各管峰值载荷错位补偿的目标，合理选取高度差ΔH、诱导环平移间距ΔR、诱导环数量N、诱导环厚度Δt、诱导环高度T和管件数量a十分重要，各结构参数计算方法如下：

诱导环数量N可通过下式计算：

诱导环的厚度Δt和高度T由下式进行确定：

Δt＝T＝2t (2)各管高度H_i的计算公式如下：

H_i＝H-ΔH(i-1) (3)

i＝1,2…,a (4)

为在保证初始峰值最大程度分离的前提下尽可能的保证吸能量，高度差ΔH和管件数量a的取值由下式确定：

R_in表示第i根吸能管从上至下第n个区域的的高度，当n＝1时第i根管件R_in的计算公式为：

当n＝2～N时第i根管件R_in的计算公式为：

当n＝N+1时第i根管件R_in计算公式为：

ΔR为相邻管件之间诱导环的平移间距，为使后续峰值载荷得到充分分离，其值由下式确定：

根据式(1)-(9)以及管件的初始结构参数，可确定诱导环数量N＝4(管件被诱导环划分为5个区域)，管件数量a＝6、管件高度差ΔH＝2mm、诱导环平移间距ΔR＝5mm、诱导环厚度Δt＝4mm、诱导环高度T＝4mm。六管工况的具体结构参数如图5和表1所示，相比于同构型多管组合结构，专利所提结构中不同管件具有各自的高度和诱导环分布形式，且同一管件不同区域的高度也存在差异，因此在压缩过程中各管所处的变形时态也存在差异，从而可以实现各管载荷-位移曲线的充分分离。

表1新型异构折纹管结构参数

各管形成差异化的载荷-位移曲线是实现高吸能、低峰值、小波动相兼容的核心问题。如图6所示，本发明通过分配各管件不同的高度和诱导环分布位置，使各管褶皱的变形时间出现一定差异，从而实现各管载荷-位移曲线的充分分离，最终达到降低组合结构初始峰值和后续载荷波动的目的。其中，各管形成高度差是为了使各管初始峰值得到分离，各管形成不同的诱导环分布形式是使各管后续峰值载荷得到分离，两种构型进行组合使用才能实现各管所有峰值的充分分离。

图7展示了仅引入高度差构型后各管件的载荷-位移曲线，可以发现虽然各管初始峰值载荷之间形成了一定时序差，但各管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8展示了仅引入变诱导环分布后各管件的载荷-位移曲线，可以发现虽然各管后续峰值载荷得到有效分离但各管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。综上所述，单独使用高度差构型或变诱导环分布构型无法使所有峰值载荷均得到充分分离，存在各自的局限之处。

图9展示了同时引入高度差及变诱导环分布时各管件的载荷-位移曲线，可以发现各管所有峰值载荷均得到充分分离，可实现高能量耗散和小载荷波动相兼容的理想目标。

图10展示了发明差异化多管组合式吸能装置与传统相同构型多管组合式吸能装置的结果对比，可以发现本发明所设计多管结构的载荷-位移曲线几乎没有出现明显的峰值载荷和载荷波动，可在高能量耗散的情况下实现低初始峰值和小载荷波动的完美兼容。

当然由于篇幅有限，本发明只提出了六根异构吸能管件组合吸能的工况，后续可以根据实际需求合理调整管件的长度L、宽度W，数量a、初始高度H、高度差ΔH、诱导环数量N、诱导环平移间距ΔR等结构参数，从而实现在满足能量耗散能力的条件下最大程度地降低组合结构初始峰值载荷以及后续载荷波动的设计目标。

Claims (1)

1.基于管件高度-诱导环分布差异化设计的多管吸能装置，其特征在于，包括顶部的防爬器(1)、底部的后端板(4)、周围的薄壁外壳(3)组成的空间，空间内设有多根吸能管(2)；每根吸能管(2)具有不同的高度，并且每根吸能管(2)上均设有诱导环；

吸能管(2)由初始吸能管件制备而成；

初始吸能管件长度L、宽度W、高度H，厚度t；

高度为T、厚度为Δt的N个诱导环将整个管件划分为N+1个区域，每个区域的高度为R_in，i为管件的序号，n为每个区域的序号，a为管件的数量；

由于诱导环的约束作用，在轴向载荷作用下管件被划分的每个区域会按顺序形成一个个变形褶皱，每个变形褶皱的形成也会使载荷-位移曲线上出现对应的波峰值和波谷值，即划分的每个区域R_in也会对应载荷-位移曲线上的一段区间D_n；通过改变区域高度R_in使该区域褶皱的变形持续时间发生改变，即改变对应的D_n值，从而影响后续变形褶皱的变形时间，进而达到控制后续载荷-位移曲线形成时序的目的；在使各管R_in产生差异的同时引入合适的高度差ΔH使各管R_i1区域的起始变形时间产生差异，从而达到各管区间内载荷-位移曲线均产生差异的目的；

诱导环和管件的结构参数计算方法如下：

诱导环数量N通过下式计算：

诱导环的厚度Δt和高度T由下式进行确定：

Δt＝T＝2t (2)

经过差异化设计后各管高度H_i的计算公式如下：

H_i＝H-ΔH(i-1) (3)

i＝1,2…,a (4)

高度差ΔH和管件数量a的取值由下式确定：

R_in表示第i根吸能管从上至下第n个区域的的高度，当n＝1时第i根管件R_in的计算公式为：

当n＝2～N时第i根管件R_in的计算公式为：

当n＝N+1时第i根管件R_in计算公式为：

ΔR为相邻管件之间诱导环的平移间距，其值由下式确定：

根据式(1)-(9)以及管件的初始结构参数，可确定诱导环数量N、管件数量a、管件高度差ΔH、诱导环平移间距ΔR、诱导环厚度Δt、诱导环高度T。