CN215890931U

CN215890931U - 一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统

Info

Publication number: CN215890931U
Application number: CN202122528467.1U
Authority: CN
Inventors: 王柯文; 朱一林
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-02-22
Anticipated expiration: 2031-10-20

Abstract

本实用新型提供了一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，为金属材料制成薄壁管结构，组合结构由若干个截面形状为矩形哑铃状的薄壁管依次纵横交错排列组成，其中矩形截面哑铃状薄壁管分结构由两块平行薄板连接两空心矩形管而成。本实用新型通过优化设计哑铃管截面形状和薄壁管单元结构组合形式，提供一种具有负泊松比效应的薄壁金属管能量吸收系统，相较于传统的薄壁圆管吸能系统，该系统具有更高的能量吸收效率和更好的吸能稳定性。同时，该吸能系统拆装便利，无需额外安装外部约束装置或内部结构连接件以及定位装置，即可实现在X‑Y轴方向的冲击荷载下，吸能系统结构间产生自锁效应，使得管材不会侧向飞溅造成二次损伤。

Description

一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统

技术领域

本实用新型涉及薄壁管吸能系统的技术领域，更确切地说，是涉及一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，该吸能系统可应用于航空航天、交通运输以及重要设施需要抗冲击减震的防护系统中。

背景技术

近年来，随着我国各种交通运输工具蓬勃发展，交通事故发生率也陡然上升，其中冲击载荷对生命和财产造成了巨大的损害。对受冲体进行方便有效的保护，可以大大挽救车祸和爆炸中的生命和财产。因此，设计一种吸能效率高、吸能稳定性好、拆装便利的能量吸收系统具有重要意义，目前有许多研究人员进行能量吸收系统的研究。

金属薄壁管是民用和国防工程中应用最广泛的能量吸收结构件之一，它有诸多吸能耗能的优势，如稳定且持续较长的变形过程；较小的初始冲击；较快的能量耗散；易于制造和构建成本低。因此，许多现有的冲击能量吸收系统是由多排薄壁圆管组成的。

然而，由于传统圆管极低的滚动摩擦阻力，组合结构在冲击作用下会侧向飞溅，不仅会造成二次损伤，还有吸能不稳定、吸能效率低等缺陷，不能起到很好的安全防护效果。为了弥补这些缺陷，工程中常采用的措施有：一、在吸能系统边界设置约束挡板防止管件侧向飞溅；二、各管件之间设置机械连接件或将管件焊接连接。但以上措施都增加了拆装过程中人力物力的消耗，以及降低材料利用率，大大增加了防护系统的成本。为了解决传统薄壁圆管吸能系统的这一不足，哑铃状薄壁管结构之前已被提出，这套系统可以降低拆装的时间和人力成本，受冲击圆管不会侧向飞溅，但是只能应对单一方向的冲击。

负泊松比结构在变形过程中常常表现出反直觉的变形行为，在单轴压力作用下，传统结构在垂直于荷载方向上发生膨胀，而负泊松比结构却沿横向收缩。这一反直觉的变形行为使得负泊松比结构比传统结构具有更优异的抗冲击性能和吸能效率。

所以，结合负泊松比结构设计一种吸能稳定性好、吸能效率高、拆装便利以及可应对多个方向冲击的能量吸收系统，对于提高材料利用率、降低防护系统成本、抵抗不可预测的冲撞、降低生命财产损失有着重要的价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，该吸能系统为易于拆装、经济实用的能量吸收系统，为冲击碰撞爆炸的防护提供更为方便、快捷、经济、安全的保障。

本实用新型的实施例可以这样实现：

本实用新型的实施例提供一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，其特征在于：吸能系统由若干个矩形哑铃状薄壁管分结构纵横交错排列组成多排多列组合结构，组合薄壁管结构在冲击过程中能够达到多维自锁的效果；

所述的薄壁管分结构横截面为矩形哑铃状，且两平行薄板间的距离H等于主体矩形管的短边b；

所述的薄壁管分结构两平行薄板的宽度W与主体矩形管的长边a满足W＝a；

所述的薄壁管分结构主体矩形管的长边a与短边b满足a＝3b；

所述的薄壁管分结构的轴向长度L与两主体管之间的轴心距A满足L≥5A；

所述的薄壁管分结构主体矩形管的短边b与薄壁管的厚度t满足b/t≥20。

进一步的，矩形哑铃状薄壁管依次纵横交错排列组成，无需设置外部约束装置或在薄壁管分结构之间设置连接件，即可排列组成吸能系统。

进一步的，吸能系统拼装过程中矩形哑铃状薄壁管依次纵横交错排列，相邻四个矩形主体管形成了一个矩形空间，实现在纵向压缩该结构时，横向向内部收缩且结构间产生自锁现象。

本实用新型的原理在于：

一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，为金属材料制成薄壁管结构，组合结构由若干个矩形哑铃状薄壁管依次纵横交错排列组成特殊的结构单元，实现在冲击过程中四个主体矩形管接触点受冲压而发生旋转，随着若干层薄壁管压缩重叠，组合结构因负泊松比效应向内聚合，进一步增强抗冲击能力，吸能系统会获得更好的吸能稳定性和更高的吸能效率。矩形哑铃状薄壁管的形状比例和组合方式使相邻两排、两列结构在X-Y轴方向的冲击荷载下达到自锁的效果。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，由于组合结构单元的特殊性和薄壁管的层叠排布，使得碰撞初期时，组合结构的弯曲变形可以有效耗散碰撞动能，即减小冲击物的加速度从而降低碰撞破坏程度。随着若干层薄壁管压缩重叠，组合结构会因为负泊松比效应而向内聚合，进一步增强抗冲击能力。因此，本实用新型组装而成的吸能系统具有更好的吸能稳定性。

2、本实用新型一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，相较于传统的圆管，矩形哑铃状薄壁管有更多的角单元，由于在碰撞过程中，角单元的折叠变形是主要的吸能方式之一，所以，这种负泊松比组合结构的吸能效果要明显优于传统薄壁圆管组合结构。

3、本实用新型一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，无需额外设置外部约束装置，也无需设置内部管件连接装置，即可实现在X-Y轴方向的冲击荷载下，吸能系统的管件产生自锁效应。提高材料利用率，满足工程经济性的需求。

4、本实用新型一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，该结构拆装便利，拼装过程中无需设置定位装置。遇突发状况可快速完成拼装抵抗冲击。

5、本实用新型一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，每层放置薄壁管的个数和层数可根据冲击物能量和场地实际情况灵活调节。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型所涉及的组合结构示意图。

图2为本实用新型所涉及的组合结构横截面示意图。

图3为本实用新型所涉及的矩形哑铃状薄壁管分结构示意图。

图4为本实用新型所涉及的矩形哑铃状薄壁管分结构横截面示意图。

图5为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中组合结构纵向承载变形的示意图。

图6为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中组合结构纵向承载下力—位移曲线的示意图。

图5中：1.本实用新型所涉及的实施例数值模拟中组合结构变形前；2.本实用新型所涉及的实施例数值模拟中组合结构纵向承载后发生负泊松比效应且结构间产生自锁效果。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

本实用新型一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，如图1所示，整体为金属材料制成的若干个矩形哑铃状薄壁管纵横交错排列而成的组合结构。

为达到预期的自锁效果，所述矩形哑铃状薄壁管按上下层拼装，如图2所示，第一层薄壁管按纵横顺序交错排列，第二层薄壁管按横纵顺序排列。此处连接两主体矩形管的薄板平行于荷载方向为纵向，垂直于荷载方向为横向。主体矩形管的长边表面与平行薄板面相贴合，完成相邻薄壁管的嵌合。同时，其余各层之间都按此嵌合方式，实现吸能系统纵向与横向的扩展。

为达到预期的负泊松比效果，尺寸可根据需要在比例范围内调整，如图4、图5所示，应满足薄壁管分结构中两平行薄板间的距离H等于主体矩形管的短边b，平行薄板的宽度W与主体矩形管的长边a满足W＝a，主体矩形管的长边a与短边b满足a＝3b，矩形哑铃状薄壁管以纵横交错的嵌合方式实现多排多列组合结构的扩展。

实施例:通过仿真模拟计算一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统受垂直于平行薄板长度方向冲击作用的吸能效果。通过将72个矩形哑铃状薄壁管拼装成8排9列的吸能系统。单个分结构参数如下：主体矩形管长边a＝30mm，短边b＝10mm，两平行薄板间距离H＝10mm，两主体管之间的轴心距A＝50mm，厚度t＝0.5mm，轴向长度L＝200mm。吸能系统下方设置一施加固定约束的刚性板，系统上方设置一刚性板来辅助完成冲压载荷模拟，加载方式为上板沿轴线对吸能系统施加载荷，上板的速度v＝15m/s，上板的质量m＝300kg。可计算出总冲击能量E＝1/2mv²＝1/2×300×15²＝3.375×10⁴J。吸能系统受冲压作用变形如图6所示。

采用ABAQUS/Explicit进行动态模拟。模拟计算的力-位移曲线如图6所示，其中横坐标u表示荷载板的压缩位移，H表示吸能系统受冲压作用前的高度，u/H为坐标无单位化。通过积分可得吸能系统所吸收的总能量为3.348×10⁴J，吸收了总冲击能量的99.2％。

本实用新型未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，其特征在于：每个矩形哑铃状薄壁管由两个平行薄板连接两个空心矩形组成，若干个矩形哑铃状薄壁管纵横交错排列，组成多排多列组合结构，实现组合薄壁管结构在X-Y轴方向冲击过程中能够达到结构间自锁的效果；

所述的薄壁管分结构横截面为矩形哑铃型，且两平行薄板间的距离H等于主体矩形管的短边b；

所述的薄壁管分结构主体矩形管的长边a与短边b满足a＝3b；

2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，其特征在于：矩形哑铃状薄壁管依次纵横交错排列组成，无需设置外部约束装置或在薄壁管分结构之间设置连接件，即可排列组成吸能系统。

3.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的自锁式薄壁管结构吸能系统，其特征在于：吸能系统拼装过程中矩形哑铃状薄壁管依次纵横交错排列，相邻四个矩形主体管形成了一个矩形空间，实现在纵向压缩该结构时，横向向内部收缩且结构间产生自锁现象。