掌桥专利:专业的专利平台
掌桥专利
首页

一种多管叠缩式吸能装置及折纸吸能管的加工方法

文献发布时间:2023-06-19 18:37:28


一种多管叠缩式吸能装置及折纸吸能管的加工方法

技术领域

本发明涉及缓冲技术领域,尤其涉及一种多管叠缩式吸能装置及折纸吸能管的加工方法。

背景技术

高性能吸能结构的研发是安全保护领域的重要主题。吸能装置是轨道车辆、汽车被动安全保护的核心,也是航空航天领域各类飞行器着地缓冲阶段的重要部件。当前以金属结构的叠缩、膨胀、缩颈、撕裂、切削等变形为主要原理的各式各样的吸能结构得到了大量开发,对车辆乘员的生命安全以及工程机械的核心部件提供了安全性保护。通常,理想的吸能结构包含了以下几大方面:高额的吸能量与比吸能、低额的撞击力峰值、平稳的吸能能力以及低廉的生成成本。以金属薄壁管的渐进式塑性叠缩变形模式为基础的叠缩式吸能结构是一种有着广泛应用的较为理想的吸能结构。金属薄壁管的自身的质量很轻,其塑性变形的绞线与流动延展又能吸收高额的能量,因此拥有理想的比质量机械性能。同时相比于其他吸能结构,叠缩式吸能结构的构造相对简单,只需要薄壁管本身以及上下两面压板几个基本结构即可完成吸能的全部任务,因此生产成本低廉。

然而常规的薄壁管叠缩式吸能结构存在着以下两方面的不足:一是撞击过程中为克服管件的屈服强度,使管件由弹性变形转为塑性变形生成第一个褶皱所需的撞击力较大,即结构吸能过程拥有一个较高的撞击力峰值。二是塑性变形阶段实现渐进折叠变形模式时,薄壁管会产生若干个界线明确的褶皱,褶皱的生成过程会为结构的应力带来对应数量若干个峰谷明确的波动,这使得常规薄壁管叠缩式吸能结构的吸能平稳性非常有限。这两个缺陷会在实际应用中对乘员以及受保护的核心部件的安全带来不小的危害,应尽可能避免。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种多管叠缩式吸能装置及折纸吸能管的加工方法。

为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:一种多管叠缩式吸能装置,包括折纸吸能管和端板,所述折纸吸能管至少设有2根,单根折纸吸能管为中空的四面形管,包括两个镜像设置的锯齿直板面和两个镜像设置的折纸弯板面;所述锯齿直板面为厚度均匀的直板,锯齿直板面的左右两边为与折纸弯板面相重合的弯折曲线;所述折纸弯板为水平设置有若干道预制折痕的波浪形弯板,所述各个折纸吸能管一同竖直放置在两端板之间,且与端板固定连接。

作为上述技术方案的进一步改进:

所述各个折纸吸能管的高度相同。

所述折纸弯板面的独立节段为直形板或曲形板。

所述折纸吸能管分为诱发区、主吸能区和尾部区,设置折纸吸能管通过预制折痕分为各个节段,所述诱发区为折纸吸能管顶端的第一个节段,设置其高度为h1;所述尾部区为折纸吸能管低端的最后一节段设置其高度为h2;所述主吸能区为折纸吸能管中部的其余节段,设置主吸能区的单个节段高度为h3;所述各个折纸吸能管的诱发区高度至少有2根不同,且各个折纸吸能管中h1与h2的总和相等。

设置锯齿直板面位于诱发区的最大宽度为L1,设置所述锯齿直板面位于主吸能区节段的最大宽度为L2,L1<L2。

当折纸吸能管数量大于2根时,各个所述折纸吸能管的诱发区高度h1呈等差数列设置。

所述折纸弯板面于尾部区节段为方向竖直的直形板。

一种折纸吸能管的加工方法,用于加工制造上述的折纸吸能管,所述锯齿直板面由锯齿直板构成,所述折纸弯板面由折纸弯板构成,具体包括以下步骤:

S1:加工锯齿直板:根据所设计的折纸吸能管外形,确定锯齿直板两侧的锯齿曲线形状,从板材上切割成型,加工出锯齿直板;

S2:加工折纸弯板:根据锯齿直板的锯齿曲线形状,选择合适的直板弯折成与锯齿曲线相对应的形状;

S3:焊接:将两锯齿直板与两折纸弯板焊接成一折纸吸能管。

与现有技术相比,本发明的优点在于:本发明的折纸吸能管通过在折纸弯板面上设置有预制折痕,实现对吸能管变形中所产生的褶皱时序进行主动控制,使装置吸能更为平稳。相比于一些常规的波形管,本发明的折纸吸能管中包括两个锯齿直板面,提高了装置的比吸能,也使装置的零件更便于加工与存储,降低了生产成本。进一步,通过将不同折痕吸能管的诱发区高度等差设置实现了大幅提升吸能量的同时大幅削减峰值力,进一步提高了装置的吸能平稳性。

附图说明

图1是本发明装置实施例1的整体结构示意立体图。

图2是本发明装置实施例1的整体结构示意主视图。

图3是本发明装置实施例1中整体结构示意右视图。

图4是本发明装置实施例1中折纸吸能管结构分解图

图5常规方管的压缩特性曲线图。

图6是本发明装置实施例1的折纸吸能管的压缩特性曲线图。

图7是本发明实施例1的压缩特性曲线图。

图8是本发明装置实施例2直板面结构示意主视图。

图中各标号表示:

1、折纸吸能管;11、锯齿直板面;12、折纸弯板面;13、预制折痕;14、诱发区;15、主吸能区;16、尾部区;2、端板。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

装置实施例1:

图1至图7示出了本发明的第一种装置实施例,一种多管叠缩式吸能装置,包括折纸吸能管1和端板2,所述折纸吸能管1至少设有2根,单根折纸吸能管1为中空的四面形管,包括两个镜像设置的锯齿直板面11和两个镜像设置的折纸弯板面12;所述锯齿直板面11为厚度均匀的直板,锯齿直板面11的左右两边为与折纸弯板面12相重合的弯折曲线;所述折纸弯板为水平设置有若干道预制折痕13的波浪形弯板,所述各个折纸吸能管1一同竖直放置在两端板2之间,且与端板2固定连接。

具体请参阅图5,图中箭头方向为载荷方向,常规方管在受到轴向压缩时生成若干褶皱,发生渐进式的叠缩变形,应力-应变曲线依次出现一个大的峰值应力、若干个小的应力波动以及致密化后的应力快速上升三个阶段。方管每生成一个褶皱,对应了应力-应变曲线的一次波动,其中第一个褶皱是方管由弹性变形转为塑性变形而产生的,因而对应的应力值最大,被称为峰值应力;后续的波动均为方管的塑性变形产生,应力值大致相等。从宏观来看方管的各个部位完全相同,但是从微观来看方管不同位置有着不同的细微缺陷,缺陷部位的屈服强度更低更容易生成褶皱,因而方管生成每个褶皱的绞线位置相对随机,难以主动控制时序,应力-应变曲线的波峰波谷的相位也难以精确预测。此外方管压缩的每一个褶皱均需要由直壁从无到有产生绞线,所以对应的应力-应变曲线的幅值变化激烈,即曲线的波动剧烈,由于曲线的积分对应了能量吸收,这就意味着方管的吸能非常不平稳。

具体请参阅图4与图6,本发明的折纸吸能管1包括两个折纸弯板面12,如同折纸般弯折出若干折痕,在结构的压缩过程中,预设折痕的部位相比于管件的其他位置拥有更低的屈服强度,因而转化成为水平绞线,从而实现了两个目标:一方面在叠缩变形时管件的褶皱只会发生在折痕部位,为控制褶皱的生成部位提供前提,另一方面产生每一个褶皱所需的压缩力更低,对应的后续应力的波动由于均有各自对应的折痕作为绞线,应力相比于常规方管也就更平缓,吸能更为平稳。由于折纸管上每一个折痕所对应的区间在压缩过程中均会转化为管件的一个褶皱,通过主动控制吸能管上折痕的位置,就可以对变形中所产生的褶皱时序进行主动控制。又由于每一个褶皱对应了压缩应力-应变曲线的一个波动,从而为应力-应变曲线的每个波动所发生的相位提供了控制方法。最终,曲线的积分对应了管件的吸能情况,由此通过折纸设计实现了对管件的能量吸收性能的精确控制。

进一步,本发明的折纸吸能管1中包括两个锯齿直板面11,所述锯齿直板面11为厚度均匀的直板,使折纸吸能管1中相对的两个面保持了方管的直壁。锯齿直板面11在边缘增设了锯齿,与折纸弯板面12的弯折形状相对应,从而共同组合构成一四面形管。相比于一些常规的波形管,本发明中的直板具有更高比吸能,管件的两弯板-两直板的联动设计既做到了诱发初始屈曲、诱导变形发展路径的作用,又保持了结构整体的吸能量与比吸能维持在更高水平。相比于增材制造管件,本发明保持了金属板材优秀的弹塑性,在吸能过程中可以稳定发生渐进式叠缩变形而不易发生脆裂。此外直板可以从金属板材上切割加工,结构简单;直板材本身便于存储加工;单管使用锯齿形直板后保持了相对的两个面为平直面,相比于曲面结构更便于模块化存储,同时方便了后续多管组合的作业,因此相比于一些增材制造的复杂结构起到了相近的吸能效果却拥有更低的加工成本。

折纸吸能管1可以通过拥有良好塑性的金属板材预折叠并焊接制成。锯齿直板面11的主视图包含了该折纸吸能管1的绝大部分外形特征,便于进行更多的外形设计,可从板材上切割成型,方便控制了整根折纸吸能管1的外形。折纸弯板面12则体现了折纸结构的预折叠思想,由整块直板弯折制成,对吸能管的变形模式起到自定义预控制的作用。

端板2分为上端板和下端板,为刚硬的金属板材,对外形、厚度等并没有明确要求,在满足强度、刚度要求下可以根据使用场景自由变换外形,例如在上端板上增设防爬齿,在下端板上增设安装座等。在装置运作过程中下端板保持相对静止,起到了底板的作用,而上端板则对折纸吸能管1进行轴向加载起到了压板的作用。

本实施例中,所述各个折纸吸能管1的高度相同。该结构相同确保了各折纸吸能管1同时受载,能按预设变形模式发生变形,同时方便了模块化生产与安装。

本实施例中,所述折纸弯板面12的独立节段为直形板。该结构的折纸吸能管1更便于加工生产,以降低制造成本。

本实施例中,所述折纸吸能管1分为诱发区14、主吸能区15和尾部区16,设置折纸吸能管1通过预制折痕13分为各个节段,所述诱发区14为折纸吸能管1顶端的第一个节段,设置其高度为h1;所述尾部区16为折纸吸能管1低端的最后一节段设置其高度为h2;所述主吸能区15为折纸吸能管1中部的其余节段;所述折纸吸能管1至少有2根的诱发区14高度h1不同,且各个折纸吸能管1中h1与h2的总和相等。

折纸吸能管1被划分为了诱发区14、主吸能区15和尾部区16三个功能区,为多管组合奠定基础。通过控制不同管件诱发区14的高度不同,使得不同管件的初始褶皱触发的时序和相位产生错位,由此为基础可以进一步控制后续所有褶皱的发生时序,从而进一步为精确控制管件压缩的应力-应变曲线的波动提供基础。

主吸能区15是折纸吸能管1的主要吸能部位,因为各个折纸吸能管1中h1与h2的总和相等,使不同规格折纸吸能管1的主吸能区15总高度是相同的,根据预先设置的折痕数量及位置在压缩过程中发生塑性叠缩变形,产生各自对应的若干数量褶皱,从而吸收大量能量。不同折纸吸能管1主要吸能区所对应的应力-应变曲线区间虽然波动情况几乎完全相同,由于上方的诱发区14高度h1的不同带来的褶皱触发时序的错位。

尾部区16并非吸能的主要区域,由于尾部区16位于折纸吸能管1的尾部,受管件可压缩行程影响可能无法参与吸能。自适应尾部区的高度h2随着顶部诱发区高度h1的变化而变化,主要功能在于确保每一根吸能管的总高度相同。诱发区14与尾部区16的搭配保证了不同规格的管件等长,由此组合多管可以同时受载但是规格不同的纸吸能管1变形时序又存在差异。

本实施例中,设置锯齿直板面11位于诱发区14的最大宽度为L1,设置所述锯齿直板面11位于主吸能区15节段的最大宽度为L2,L1<L2。

通过该结构,使诱发区14的屈服强度低于主吸能区15的屈服强度,从而保证了整根管件的变形始终由诱发区14开始,起到了诱发初始褶皱的作用,由初始褶皱产生的多米诺效应保证了管件后续的渐进叠缩。

本实施例中,所述折纸吸能管位于主吸能区的各个节段高度相同。通过该结构,使折纸吸能管1的应力-应变曲线更为平稳,保证装置吸能的稳定性。

本实施例中,折纸吸能管1设置有4根,各个折纸吸能管1的诱发区14高度呈等差数列。该结构中,在单根折纸吸能管1的基础上进一步的,对多根折纸吸能管1进行组合式组合设计,使每一根折纸吸能管1的顶部诱发区14的高度h1以等差的形式各不相同,从而实现了每一根折纸吸能管1在上端板2的作用下同时发生弹性变形,但是产生叠缩塑性变形生成初始褶皱所需要的总时间不同,从而为应力-应变曲线的初始峰值应力带来了错位。由于不同管件后续的主吸能区15都是完全相同的,因此初始褶皱和初始峰值应力的错位随之进一步反映为了所有后续褶皱以及应力波峰的错位。

如图7所示,折纸吸能管1首先发生塑性变形产生褶皱1.1,随之吸能管2-4依次变形产生了褶皱2.1-4.1,每根折纸管的第二、第三个褶皱同理发生了时序上的错位,从而反映为四条有着波峰波谷错位的应力-应变曲线。以两条正弦函数曲线为例,若它们的相位相差π,则它们进行叠加,波峰波谷相消成为了一条直线,类似的原理,若干组折纸吸能管1的波峰波谷相互错位的应力-应变曲线进行叠加,整个吸能结构的应力-应变曲线成为了一条非常平稳的曲线,该曲线的积分,即与坐标横轴所围成的面积对应了结构的吸能。由此可以看出本发明的吸能量达到了四根管件之和的同时撞击力峰值并非四根管件线性叠加,而是具有幅值与单管接近且变化并不尖锐的撞击力峰值,实现了大幅提升吸能量的同时大幅削减峰值力。更为重要的是本发明后续平台阶段的应力非常平稳,有着非常平稳的吸能能力,可以对乘员以及保护物提供最大程度的安全保护,是一个拥有理想性能的吸能装置。

本实施例中,所述折纸弯板面12于尾部区16节段为方向竖直的直形板。因为尾部区16并非吸能的主要区域,由于位于折纸吸能管1的底部,受管件可压缩行程影响可能无法参与吸能。尾部区16的高度h3随着诱发区14高度h1的变化而变化,主要功能在于确保每一根吸能管的总高度相同。所以将折纸弯板面12的尾部区16设置成竖直的直形板,便于折纸吸能管1的生产加工,另一方面,也因此增大了尾部区16的横截面积,有利于增强装置的结构稳定性。

装置实施例2:

一种多管叠缩式吸能装置的第二种实施例,该装置与实施例1基本相同,区别仅在于:本实施例中所述折纸弯板面12的独立节段为曲形板。本发明的单管件结构外形并不局限于装置实施例一中如图4所示的三角形齿的锯齿直板面11和直形板节段的折纸弯板面12的组合。如图8所示,可以对锯齿直板面11的锯齿进行进一步设计,例如将锯齿直板面11边缘的三角形齿改成等幅值的正弦曲线,进一步也可设计为幅值逐级变化的正弦曲线、双层正弦曲线、花瓣型齿等多种多样的外形,与此同时折纸弯板面12也弯曲成相对应的形状,每一节段弯曲成对应的曲线形状的曲面板,仍然保持单折纸吸能管1两直板两弯板的简单组合设计结构,由此可以根据实际工程应用情况选择吸能曲线更合适的管件外形。

方法实施例:

一种折纸吸能管1的加工方法,用于加工制造装置实施例1所述的折纸吸能管1,所述锯齿直板面11由锯齿直板构成,所述折纸弯板面12由折纸弯板构成,具体包括以下步骤:

S1:加工锯齿直板:根据所设计的折纸吸能管1外形,确定锯齿直板两侧的锯齿曲线形状,从板材上切割成型,加工出锯齿直板。

S2:加工折纸弯板:根据锯齿直板的锯齿曲线形状,选择合适的直板弯折成与锯齿曲线相对应的形状。

S3:焊接:将两锯齿直板与两折纸弯板焊接成一折纸吸能管1。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上,然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围的情况下,都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均应落在本发明技术方案保护的范围内。

技术分类

06120115637414