波纹型薄壁三层缓冲吸能结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及建筑、海洋平台等大型结构物以及船舶、航天、汽车、高铁等交通工具在冲击碰撞过程中缓冲吸能领域，尤其涉及一种波纹型薄壁三层缓冲吸能结构及其制作方法。

背景技术

随着船舶交通行业的兴盛，船舶在物流运输人员交通中扮演的角色越来越重要，而船舶靠帮时，如遇到恶劣天气或是其他意外情况，很容易造成两船之间或者船体与码头结构物之间的碰撞，长期的此类碰撞容易导致船体损坏甚至威胁到船上装备及人员的安全，同时伴随着经济损失。为减少此类事件对船体以及人员造成的伤害，需要在船体易发生碰撞的部位安装防护装置。在防护领域，金属薄壁吸能结构因其轻质量、低成本、易制作的优点，被广泛应用于各类生产制造中，金属薄壁结构是由主体的金属薄壁管件与其衍生出的结构物混合组合成的一种防护结构；相较于传统的吸能结构，此类结构在碰撞冲击时，通过自身结构产生塑性变形，以此消耗来自碰撞冲击载荷中产生的能量，具有良好的变形效果且吸收较多的能量。

剪切增稠胶(STG)作为一种粘弹体，它由硼酸与羟基硅油等在一定条件下反应制备而成，它的粘度随着剪切速率的变化而变化，在剪切速率的提升下，表现出剪切变硬的性能。剪切增稠胶在常态下为橡皮泥状的粘性体，具有蠕变松弛的材料性质，在受到冲击或剪切时，会瞬间从“粘性体”转化为“固态”，通过加入二氧化硅可以控制剪切增稠胶常态下的软硬，同时限制STG的蠕变松弛特性，经过此类改性的剪切增稠胶在常态下形态保持稳定且同样具备增稠效应，受到冲击或剪切时仍会“增稠变硬”，这一过程中可以吸收大量的能量，且这个转化过程无需额外的激励触发装置。因为剪切增稠胶的这一特性，剪切增稠胶常被填充于吸能结构中以进一步优化结构的吸能特性。

现有的技术方案(CN114962511A)的专利中提出剪切增稠液的双管薄壁吸能结构，其中波纹管在受到冲击时，波纹处的弯矩及应力会更大，使得波纹管在受到冲击时易引导结构发生变形；窗格管沿窗口一周的区域由于开窗的缘故刚度较小，同样会引导结构在窗口处发生变形；但是在吸能阶段，平台较短，不是很稳定；初始峰值力有所下降，但是仍较大，总吸能有待提高。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种有效提高总吸能的波纹型薄壁三层缓冲吸能结构，能够在如船舶靠泊这类低速碰撞冲击载荷下，对被保护结构或人员起到很好的防护作用。

本发明的第二目的是提供该波纹型薄壁三层缓冲吸能结构的制作方法。

技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种波纹型薄壁三层缓冲吸能结构，包括竖直设置的外波纹管、同轴设置的内波纹管、位于外波纹管和内波纹管之间的空腔内且沿竖直方向间隔环形填充的环状剪切增稠胶、位于内波纹管的内腔内的若干个弧形栏板、用于密封内波纹管和外波纹管上端的上封盖以及用于密封内波纹管和外波纹管下端的下封盖，其中弧形栏板的上下两端分别插入上封盖和下封盖内。

其中，若干个弧形栏板绕内波纹管轴向中心线间隔布置围成一腰型内管。

优选的，内波纹管与腰型内管之间的空腔内沿竖直方向间隔环形填充的环状剪切增稠胶，并在内波纹管上开设窗口。

再者，腰型内管的腰型弧度具有抛物线y＝A

进一步，若干个弧形栏板交叉布置于内波纹管。

优选的，内波纹管的波纹由

再者，外波纹管的波纹由

进一步，所述环状剪切增稠胶为改性后具有一定硬度的剪切增稠胶，环状剪切增稠胶制成与内、外波纹管相匹配的环状；蠕动松弛完后，单个环状剪切增稠胶高度为D

再者，上封盖和下封盖上对应开设有用于插接弧形栏板的槽口。

本发明一种波纹型薄壁三层缓冲吸能结构的制作方法，包括如下步骤：首先将弧形栏板对着下封盖槽口处焊接或胶装；待弧形栏板固定在下封盖的槽口上后，在下封盖做好内、外波纹管的安装标记；将内波纹管胶装或焊接于下封盖的标记上；将事先制好与内、外波纹管匹配的环状剪切增稠胶用结构胶牢牢固定在内波纹管底部；再将环状剪切增稠胶一层一层固定在内波纹管上，静置48h以上，保证环状剪切增稠胶蠕动松弛完后的每层间隔高度为D

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

(1)本发明当受到轴向冲击碰撞时，内、外波纹管和先与弧形栏板一同受到冲击，在协同作用下开始弯曲变形，弧形栏板起到一定的支撑以及引导变形的作用，从而有效地吸收轴向冲击力；当冲击碰撞继续时，结构进一步压缩，首层的环状剪切增稠胶增稠受到冲击，开始“增稠变硬”，由于体积不可压缩，环状剪切增稠胶将“增稠变硬”的体积挤压到间隔内，由于力的传递，下面的环状剪切增稠胶也随之硬化；一方面剪切增稠胶增稠在变硬的过程中进一步吸能；另一方面增稠变硬的剪切增稠胶与管体产生耦合效应，能够有效地诱导结构变形吸能，多层、间隔布置环状剪切增稠胶促进结构平稳变形，从而提高整体的吸能特性，起到缓冲保护的作用；

(2)本发明中间隔布置剪切增稠胶能够有效地提高吸能特性；由于体积不可压缩，环状剪切增稠胶被冲击压缩需要变形空间，间隔布置不仅提供了变形空间，还能出现“多米诺效应”，当首层环状剪切增稠胶受到冲击，通过力的传递性率先将冲击力传递到下方的环状剪切增稠胶上，促进下方的环状剪切增稠胶一同增稠变硬，与管体产生耦合效应来诱导薄壁结构的塑性变形，从而有效的提高总吸能。

(3)本发明利用剪切增稠胶受到冲击时的增稠变硬的性质来增大结构的吸能：一是剪切增稠胶在受力变硬后与结构内管产生耦合效应使得结构结构变形程度更大增加吸能；二是在受到冲击时剪切增稠胶增稠变硬时会吸收能量，同时剪切增稠胶属于粘弹性体，不需要担心密封性的问题；

(4)本发明采用内、外波纹管与腰型内管相结合，内、外波纹管在受到冲击时，波纹处的弯矩及应力相对其他位置会更大，使得内、外波纹管在受到冲击时易引导结构发生形变；腰型内管与内波纹管一周的区域由于腰型内弯弧度的缘故，同样会引导结构在内弧处发生变形；因为内、外波纹管的原因，会与组合腰型内管形成协同作用，组合腰型内管不会因为自身强度不高而溃缩太快，并给予了充分的吸能时间，保证了结构的稳定性。

(5)本发明中结构由于内、外波纹管以及腰型内管的存在，在受到冲击碰撞的情况下，三层薄壁管会发生轴向溃缩，这会防止侧弯情况的发生，使得结构能够充分变形而吸收能量；相比较于传统的单管结构，可以使结构具备更强的轴向承载能力，且自身质量不大，具有更高的吸能效应。

附图说明

图1为本发明中以腰型内管中栏板数为4为例的结构示意图；

图2为本发明中内波纹外管的结构示意图；

图3为本发明中外波纹外管的结构示意图；

图4为本发明中腰型内管的结构示意图；

图5为本发明中上、下封盖的结构示意图；

图6为本发明中单层环状剪切增稠胶的的结构示意图；

图7为本发明的制作流程示意图；

图8为本发明中不同腰型内管的结构示意图；

图9为本发明中栏板交叉布置的吸能结果示意图；

图10为本发明中不同腰型内管吸能结构冲击力-位移曲线对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，本发明公开了一种波纹型薄壁三层缓冲吸能结构包括内波纹管1、外波纹管2、环状剪切增稠胶4、上封盖5、下封盖6和弧形栏板7，其中内波纹管1、外波纹管2、腰型内管3、上封盖5和下封盖6的材质选用不锈钢或Q235等塑性好、韧性好的金属或新型高分子材料。

波纹管1和外波纹管2两者同轴等高设置，内波纹管的波纹由

如图6所示，环状剪切增稠胶4沿竖直方向间隔环形填充于外波纹管2和内波纹管1之间的空腔内，环状剪切增稠胶为改性后具有一定硬度的剪切增稠胶，环状剪切增稠胶制成与内、外波纹管相匹配的环状；蠕动松弛完后，单个环状剪切增稠胶高度为D

如图4和图5所示，若干个弧形栏板7绕内波纹管轴向中心线间隔布置围成一腰型内管3，腰型内管的腰型弧度具有抛物线y＝A

或者若干个弧形栏板7交叉布置于内波纹管1。

如图7所示，本发明一种波纹型薄壁三层缓冲吸能结构的制作方法，包括如下步骤：首先将弧形栏板7对着下封盖6槽口处焊接或胶装；待弧形栏板7固定在下封盖6的槽口上后，在下封盖6做好内、外波纹管的安装标记；将内波纹管1胶装或焊接于下封盖的标记上；将事先制好与内、外波纹管匹配的环状剪切增稠胶用结构胶牢牢固定在内波纹管底部；再将其余环状剪切增稠胶一层一层固定在内波纹管上，静置48h，保证环状剪切增稠胶蠕动松弛完后的每层间隔高度为D

在加工工艺方面，本发明所用的内、外波纹管、组合腰型内管，上、下封盖以及环状剪切增稠胶的生产制作工艺如下：

(1)内、外波纹管的加工：本发明中所用的内、外波纹管由薄壁管在模具中使用液压涨形的方法制作而成，其中模具可以多次使用，

(2)组合腰型内管的加工：本发明中所用的组合腰型内管是由不同数目的栏板组成，其中栏板可以采用激光切割的方法制得，工艺简单，成本低廉。

(3)上、下封盖的加工：本发明所使用的上、下封盖在圆形模具中液压涨形制成，方法简单，易于得到。

(4)环状剪切增稠胶的制备：将焦硼酸与羟基硅油按一定比例制得，同时加入二氧化硅以限制STG的蠕变松弛特性，在一定反应温度下加热一段时间后，便可制得剪切增稠胶；通过内、外波纹管将剪切增稠胶捏成一定高度且与内、外波纹管波纹匹配的环状剪切增稠胶；其制作方法简单，成本低廉。

本发明填充多层环状剪切增稠胶的波纹型薄壁三层缓冲吸能结构主要吸能部分为内波纹管1、外波纹管2、腰型内管3、环状剪切增稠胶4。当该结构受到轴向冲击碰撞时，内、外波纹管1和2先与腰型内管3一同受到冲击，在协同作用下开始弯曲变形，腰型内管3起到一定的支撑以及引导变形的作用，从而有效地吸收轴向冲击力；当冲击碰撞继续时，结构进一步压缩，首层的环状剪切增稠胶增稠4受到冲击，开始“增稠变硬”，由于体积不可压缩，环状剪切增稠胶4可以将“增稠变硬”的体积挤压到间隔内，由于力的传递，下面的环状剪切增稠胶也随之硬化；一方面：剪切增稠胶增稠变硬的过程需要吸能；另一方面，增稠变硬的剪切增稠胶能够与管体产生耦合效应，有效地诱导结构变形，多层、间隔布置环状剪切增稠胶促进结构变形完全；从而提高整体的吸能特性，起到缓冲保护的作用。

实施例1

如图1所示，实施例1中内波纹外管1、外波纹管2、腰型内管3、上下封盖5和6的材料均为304不锈钢。其中内波纹管1的半径R

实施例1中腰型内管3分别采用4种形式：四栏板、六栏板、八栏板形和十栏板，如图8所示。因内置的腰型内管的结构形式以及尺寸不同，实施例结构质量与现有技术方案的双管薄壁吸能结构相比要轻的多。与波纹/窗口薄壁结构对比，波纹/窗口薄壁结构中的波纹管长L为120mm，波纹/窗口薄壁结构中的波纹管波纹幅值为2mm，波纹/窗口薄壁结构中的波纹管波长为20mm，波纹/窗口薄壁结构中波纹管壁厚为2mm；波纹/窗口薄壁结构中的窗格管的半径为20mm，波纹/窗口薄壁结构中的窗格管长为120mm，波纹/窗口薄壁结构中的窗格管的开窗列数为2，每列开窗个数为3，每个窗口的面积为180mm

碰撞物的质量为2000kg，撞击速度取5m/s。波纹/窗口薄壁吸能结构及四组含多层环状剪切增稠胶间隔布置的波纹型薄壁三层缓冲吸能结构轴向溃缩60mm时结构的吸能、比吸能以及初始碰撞峰值载荷见表1，其冲击力-位移曲线，如图10所示。

表1

由表1的数据可知，四种含环状剪切增稠胶间隔布置的波纹型薄壁三层缓冲吸能结构的比吸能均高于填充剪切增稠液的波纹/窗口结构；比总体效率优略顺序为：八栏板>四栏板>六栏板>十栏板>波纹/窗口薄壁吸能结构。综上所述：在相同的碰撞条件下，本实施例1中的四种内置不同组合腰型内管的波纹型薄壁三层缓冲结构的吸能效率均高于对比案例的波纹/窗口薄壁吸能结构，其中四栏板结构吸能效率较对比案例的吸能结构有着明显的优势，能够吸收大量的能量，并且从图10可看出该新型结构在整个吸能阶段变形过程也相对较稳定。

实施例2

如图9所示，若干个弧形栏板7交叉布置于内波纹管1。栏板数可参考实施例1中，且该实施例中的栏板也是弧形状，弧形状可以保证在受到冲击时，结构可以在按照预设路径进行塑性变形；与垂直布置栏板相比较，交叉布置栏板数可以使内部结构稳定，垂直布置的栏板的约束条件在上下端，而交叉布置的栏板约束条件是上下端以及中间部分，这样能有效改善结构在变形过程中的“失稳”现象，从而提高结构的变形率，增加冲击过程中的总吸能。

实施例3

采用实施例1的吸能结构，区别在于：将环状剪切增稠胶多层间隔填充于内波纹管1和腰型内管之间的内腔中，并在内波纹管1上开设窗口，窗口的形状可为：矩形、圆形、多边形等；实施例3的填充方式增加了剪切增稠胶的含量，剪切增稠胶“增稠变硬”的过程不仅吸收大量能量，而且与薄壁结构间的耦合能诱导整个结构的塑性变形；内管栏板与剪切增稠胶相互作用，剪切增稠胶在受到栏板的扰动后增稠，给予栏板一定的约束支撑，使得结构稳定性提高；开设窗口能够有效促进剪切增稠胶的增稠特性，从而提高吸能特性。另外也可将本发明中所填充的剪切增稠胶替换为剪切增稠液、橡胶、泡沫等其他吸能弹性材料。

实施例4

采用实施例1的结构，区别仅在于：将栏板组成的无间隙的腰型内管，无间隙腰型内管，再受到冲击时，会具有更高的稳定性，与内、外波纹管协同变形，耦合效应更明显，从而吸收更多的能量，起到更好的缓冲吸能效果。

实施例5

采用实施例4的结构。区别仅在于：在无间隙腰型内管的内腔中填充剪切增稠胶，可以进一步提升吸能缓冲效果；为进一步加强结构的吸能以及比吸能，将内外波纹管1和2、组合腰型内管3、上封盖5和下封盖6的材料换成新型高分子材料。

以上详细叙述了本发明的优选实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，在本发明的技术构思范围之内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。