CN202656979U - 一种薄壁圆管吸能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种车辆被动撞击时的薄壁吸能装置，属于车辆碰撞冲力的阻尼配件技术领域。吸能装置包括多个结构与尺寸均相同的吸能单元，吸能单元的内表面为正n边形柱体，吸能单元的外表面为金字塔型波纹结构。吸能装置能够同时满足高比吸能率和低载荷均匀性系数的要求，提高交通工具中广泛应用的薄壁吸能结构在发生被动碰撞时的变形可控制性和吸收冲击动能的性能，从而改善交通工具的被动安全性性能。
Description
技术领域
本实用新型属于车辆碰撞冲力的阻尼配件技术领域，具体涉及车辆被动撞击时的一种薄壁圆管吸能装置。
背景技术
交通工具在碰撞事故中的抗撞性是被动安全性分析中的一个关键环节，金属薄壁结构因具有良好的抗撞吸能特性，被广泛地应用到汽车、船舶、航天等各个领域。目前的汽车、船舶、飞机等行业中的抗撞吸能结构设计中，一般采用光滑表面的金属薄壁圆截面筒或方截面筒。
金属薄壁吸能构件主要是通过塑性变形来耗散激烈碰撞产生的冲击动能，实际碰撞事故中，往往有多种破坏模式或者多种变形模式混杂在一起，例如，飞机和汽车的薄壁结构在撞击载荷作用下发生破坏，可能同时发生塑性扭转、塑性弯曲、塑性屈曲、生成裂纹、裂纹扩展、断裂和被穿透，不同的部位可能发生不同的破坏模式，每次撞击部位不同，载荷不同，发生的破坏形式和程度大相径庭，具有不可预测和不易控制的特征。
理想的碰撞吸能盒需要满足如下条件：
高比吸能率，即碰撞吸能盒所吸收的最大能力与其自身重量的比值要高；
低载荷均匀性系数，即碰撞吸能盒在受撞击过程中传递给车厢结构的最大载荷与整个变形过程中传递的平均载荷的比值要低；
稳定性高，优良的抗撞结构应当以稳定的破坏模式和可控的方式通过结构本身的塑形变形，尽可能地将碰撞动能不可逆地转换为抗撞结构的变形势能，从而达到吸收动能，降低冲击速度，增大被动安全性。
传统上，由钢或铝合金加工成的薄壁方管或圆管被广泛用作碰撞吸能盒，这种吸能盒的主要问题在于它们的初始屈服载荷远远高于其屈服后的承载力，即在受到撞击过程中，它们会把一个很大的初始峰值载荷传递给汽车纵梁，从而对纵梁造成永久性损害。方管的比吸能率较其他截面形式的低，而圆管的加工和安装较为不便，传统的吸能结构尚未达到较好的效果。
为了提高碰撞吸能盒的比吸能率，对碰撞吸能盒的截面形式做了诸多形式的改进。专利号为EP1923273(A1)，发明名称为“ImpactAbsorptionMember forVehicle”的发明专利，吸能盒的截面如图1所示。弯曲的截面可以保证稳定的破坏模式和可控的塑性变形，专利同样存在初始屈服载荷过大的问题。
又如申请号为CN200910013553.X，发明名称为“一种折痕式碰撞吸能盒”的发明专利，引入折痕纹路的薄壁管件作为碰撞吸能盒，通过该折痕纹路引导碰撞变形段的最终变形模式。其技术方案为：在一个薄壁管沿轴向分为若干模块，在每一个模块的每个角部区域，分别沿轴向每间隔一定距离有一个钻石型凹角。从而形成有折痕纹路的薄壁管件。
比吸能率和载荷均匀性系数是两个此消彼长的参数，寻求两参数的平衡点以达到吸能盒最优化性能，是吸能盒设计的终极目标。
发明内容
本实用新型目的在于提供一种薄壁圆管吸能装置，同时满足高比吸能率和低载荷均匀性系数的要求，吸能装置可以提高交通工具中广泛应用的薄壁吸能结构在发生被动碰撞时的变形可控制性和吸收冲击动能的性能，从而改善交通工具的被动安全性能。
为实现上述发明目的，本实用新型采取的技术方案为：
一种薄壁圆管吸能装置，所述吸能装置包括多个结构和尺寸相同的筒体结构吸能单元，吸能装置由吸能单元沿筒体中心轴线方向串联而成，其改进之处在于所述吸能单元的内表面为正多边形柱体，所述吸能单元的外表面为金字塔型波纹结构。
其中：所述金字塔型波纹结构包括吸能单元圆周向相互连接的金字塔，所述每个金字塔包括一个底面和四个棱锥面，所述金字塔向吸能单元的外侧凸起。
其中：所述金字塔的底面与所述吸能单元内表面重合，所述金字塔的顶点A向底面的投影点为底面的中心。
其中：所述吸能单元内表面内接于半径为r的圆柱体，所述金字塔的顶点A到吸能单元中心轴线距离为r。
其中：所述吸能单元内表面的边数为大于等于3且小于等于99的整数。
由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：
1)破坏模式稳定、安全性提高
抗撞吸能结构的吸能性能和降低撞击力的性能主要受结构的破坏模式和变形溃缩过程影响，相对传统的光滑表面的圆柱壳，本实用新型通过规则的金字塔型波纹获得稳定的金刚石破坏模式以及轴向溃缩变形，避免吸能效率很低的整体欧拉失稳，金字塔型波纹结构破坏模式更稳定，变形可控性好，吸收耗散动能更多，显著提高了结构的被动安全性；
2)高比吸能率和低载荷均匀性系数
本实用新型吸能装置的多边形结构能获得稳定的破坏模式，峰值冲击力降低且吸能性能更好，整体结构被动安全性更高；
3)装置形状规则，便于加工
吸能装置为规则的多边形圆管，圆管外表面为规则的金字塔型波纹，装置便于加工；4)制造成本低
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
图1是现有技术中碰撞吸能盒结构示意图；
图2是具有金字塔型波纹的圆形薄壁抗撞吸能结构主视图；
图3是具有金字塔型波纹的圆形薄壁抗撞吸能结构左视图；
图4是波纹结构示意图；
图5是具有金字塔型波纹的圆形薄壁抗撞吸能结构产生轴向溃缩示意图；
附图标记：
r-吸能单元内表面外切圆半径，h-吸能单元沿薄壁筒中心轴向高度，n-吸能单元正多边形内表面的边数，a-吸能单元正多边形内表面边长，b-吸能单元
高度处垂直于薄壁管中心轴的横截面边长。
具体实施方式
下面结合实例对本实用新型进行详细的说明。
本实用新型的具有规则金字塔型波纹的薄壁圆筒，其主视图如图2所示，左视图如图3所示，薄壁圆管的外表面沿薄壁圆筒的轴向以一定间距h为一个吸能单元，每个吸能单元的结构和尺寸均相同。
薄壁圆筒的吸能单元具体结构示意图如图4所示，可描述如下：
吸能单元是以OO1为轴的n边形筒体结构，n为大于等于3的自然数，当n等于11时筒体结构的左视图如图3所示。筒体的内横截面和吸能单元二分之一高度处外横截面同为边数为n的同圆心正多边形，内横截面多边形内接于半径为r的圆，吸能单元二分之一高度处外横截面外切于半径为r的圆，外切多边形边长b大于内接多边形边长a。
吸能单元的波纹结构如图4所示，沿薄壁圆筒的轴向方向，吸能单元的高度为h，吸能单元的内表面是内接于半径为r的圆柱体的多边形柱体。棱柱面的外表面为金字塔型结构，金字塔型结构向吸能单元的外侧凸起。金字塔的底面与吸能单元内表面的棱柱面重合，金字塔顶点A点向底面的投影点与底面的中心点重合。金字塔顶点A点到薄壁圆筒中心轴OO1的距离为r。
具有金字塔型波纹结构的薄壁圆筒在受到沿中心轴向的外界载荷冲击后，产生轴线溃缩的示意图如图5所示。与光滑圆截面吸能结构受到沿中心轴向冲击载荷后，产生轴向溃缩的情况相比，金字塔型结构在冲击载荷作用下，在金字塔型波纹的引导下发生图5所示的很规则的变形，且变形分布很均匀，普通圆管则是先在局部发生屈服，冲击过程的后期变形不稳定。金字塔型波纹引导轴向冲击载荷作用下的薄壁管发生规则的金刚石破坏模式，变形规则可预测，大大降低冲击力的峰值，并且吸能效率更高，显著提高了结构的被动安全性能。
此处已经根据特定的示例性实施例对本实用新型进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本实用新型的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本实用新型的范围的限制，本实用新型的范围由所附的权利要求定义。
Claims (5)
1.一种薄壁圆管吸能装置，所述吸能装置包括多个结构和尺寸相同的筒体结构吸能单元，吸能装置由吸能单元沿筒体中心轴线方向串联而成，其特征在于所述吸能单元的内表面为正多边形柱体，所述吸能单元的外表面为金字塔型波纹结构。
2.如权利要求1所述的一种薄壁圆管吸能装置，其特征在于所述金字塔型波纹结构包括吸能单元圆周向相互连接的金字塔，所述每个金字塔包括一个底面和四个棱锥面，所述金字塔向吸能单元的外侧凸起。
3.如权利要求1或2所述的一种薄壁圆管吸能装置，其特征在于所述金字塔的底面与所述吸能单元内表面重合，所述金字塔的顶点A向底面的投影点为底面的中心。
4.如权利要求1所述的一种薄壁圆管吸能装置，其特征在于所述吸能单元内表面内接于半径为r的圆柱体，所述金字塔的顶点A到吸能单元中心轴线距离为r。
5.如权利要求1所述的一种薄壁圆管吸能装置，其特征在于所述吸能单元内表面的边数为大于等于3且小于等于99的整数。
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