專利名稱：一種薄壁吸能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于車輛碰撞沖力的阻尼配件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及車輛被動(dòng)撞擊時(shí)的ー種薄壁吸能裝置。
背景技術(shù)：
交通工具在碰撞事故中的抗撞性是被動(dòng)安全性分析中的ー個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，金屬薄壁結(jié)構(gòu)因具有良好的抗撞吸能特性，被廣泛地應(yīng)用到汽車、船舶、航天等各個(gè)領(lǐng)域。目前的汽車、船舶、飛機(jī)等行業(yè)中的抗撞吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般采用光滑表面的金屬薄壁圓截面筒或方截面筒。
金屬薄壁吸能構(gòu)件主要是通過塑性變形來耗散激烈碰撞產(chǎn)生的沖擊動(dòng)能，實(shí)際碰撞事故中，往往有多種破壞模式或者多種變形模式混雜在一起，例如，飛機(jī)和汽車的薄壁結(jié)構(gòu)在撞擊載荷作用下發(fā)生破壞，可能同時(shí)發(fā)生塑性扭轉(zhuǎn)、塑性彎曲、塑性屈曲、生成裂紋、裂紋擴(kuò)展、斷裂和被穿透，不同的部位可能發(fā)生不同的破壞模式，毎次撞擊部位不同，載荷不同，發(fā)生的破壞形式和程度大相徑庭，具有不可預(yù)測(cè)和不易控制的特征。理想的碰撞吸能盒需要滿足如下條件高比吸能率，即碰撞吸能盒所吸收的最大能力與其自身重量的比值要高；低載荷均勻性系數(shù)，即碰撞吸能盒在受撞擊過程中傳遞給車廂結(jié)構(gòu)的最大載荷與整個(gè)變形過程中傳遞的平均載荷的比值要低；穩(wěn)定性高,優(yōu)良的抗撞結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)以穩(wěn)定的破壞模式和可控的方式通過結(jié)構(gòu)本身的塑形變形，盡可能地將碰撞動(dòng)能不可逆地轉(zhuǎn)換為抗撞結(jié)構(gòu)的變形勢(shì)能，從而達(dá)到吸收動(dòng)能，降低沖擊速度，增大被動(dòng)安全性。傳統(tǒng)上，由鋼或鋁合金加工成的薄壁方管或圓管被廣泛用作碰撞吸能盒，這種吸能盒的主要問題在于它們的初始屈服載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其屈服后的承載力，即在受到撞擊過程中，它們會(huì)把一個(gè)很大的初始峰值載荷傳遞給汽車縱梁，從而對(duì)縱梁造成永久性損害。方管的比吸能率較其他截面形式的低，而圓管的加工和安裝較為不便，傳統(tǒng)的吸能結(jié)構(gòu)尚未達(dá)到較好的效果。為了提高碰撞吸能盒的比吸能率，對(duì)碰撞吸能盒的截面形式做了諸多形式的改進(jìn)。專利號(hào)為 EP1923273 (Al),發(fā)明名稱為 “ Impact Absorption Member for Vehicle” 的發(fā)明專利，吸能盒的截面如圖I所示。彎曲的截面可以保證穩(wěn)定的破壞模式和可控的塑性變形，專利同樣存在初始屈服載荷過大的問題。又如申請(qǐng)?zhí)枮镃N200910013553.X，發(fā)明名稱為“ー種折痕式碰撞吸能盒”的發(fā)明專利，引入折痕紋路的薄壁管件作為碰撞吸能盒，通過該折痕紋路引導(dǎo)碰撞變形段的最終變形模式。其技術(shù)方案為在一個(gè)薄壁管沿軸向分為若干模塊，在每ー個(gè)模塊的每個(gè)角部區(qū)域，分別沿軸向每間隔一定距離有一個(gè)鉆石型凹角。從而形成有折痕紋路的薄壁管件。比吸能率和載荷均勻性系數(shù)是兩個(gè)此消彼長(zhǎng)的參數(shù)，尋求兩參數(shù)的平衡點(diǎn)以達(dá)到吸能盒最優(yōu)化性能，是吸能盒設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種薄壁吸能裝置，同時(shí)滿足高比吸能率和低載荷均勻性系數(shù)的要求，吸能裝置可以提高交通工具中廣泛應(yīng)用的薄壁吸能結(jié)構(gòu)在發(fā)生被動(dòng)碰撞時(shí)的變形可控制性和吸收沖擊動(dòng)能的性能，從而改善交通工具的被動(dòng)安全性能。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種薄壁吸能裝置，所述吸能裝置為薄壁管結(jié)構(gòu)，所述吸能裝置包括多個(gè)結(jié)構(gòu)和尺寸相同的筒體結(jié)構(gòu)吸能単元，吸能裝置由吸能単元沿筒體中心軸線方向串聯(lián)而成，其改進(jìn)之處在于所述吸能単元的內(nèi)表面為正η邊形柱體，每ー個(gè)棱柱面構(gòu)成吸能単元的ー個(gè)吸能體，所述吸能體的外表面為金字塔型波紋結(jié)構(gòu)；所述吸能體為向外側(cè)凸起的金字塔結(jié)構(gòu)，所述吸能體底面平 行于所述薄壁管中心軸，所述吸能體頂點(diǎn)A向底面的投影點(diǎn)與底面的中心點(diǎn)重合，兩相鄰吸能體底面的夾角為
￥*180°;所述吸能単元*高度處垂直于薄壁管中心軸的橫截面，內(nèi)橫截面為邊長(zhǎng)為a的正η
邊形，所述內(nèi)橫截面內(nèi)接于半徑為r的圓；外橫截面為邊長(zhǎng)為b的正η邊形，所述外橫截面外切于半徑為r的圓；本發(fā)明的另ー優(yōu)選技術(shù)方案為所述吸能裝置為薄壁圓管結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的再ー優(yōu)選技術(shù)方案為所述吸能単元沿薄壁管中心軸方向的高度為h。本發(fā)明的又ー優(yōu)選技術(shù)方案為所述吸能単元的內(nèi)表面為正11邊形柱體，所述吸能單元的高度h為70. 38±2mm,所述吸能單元內(nèi)表面的外切圓柱半徑r為40. 16±lmm。由于采用了上述技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括I)破壞模式穩(wěn)定、安全性提高抗撞吸能結(jié)構(gòu)的吸能性能和降低撞擊カ的性能主要受結(jié)構(gòu)的破壞模式和變形潰縮過程影響，相對(duì)傳統(tǒng)的光滑表面的圓柱殼，本發(fā)明通過規(guī)則的金字塔型波紋獲得穩(wěn)定的金剛石破壞模式以及軸向潰縮變形，避免吸能效率很低的整體歐拉失穩(wěn)，因此本發(fā)明的金字塔型波紋結(jié)構(gòu)破壞模式更穩(wěn)定，變形可控性好，吸收耗散動(dòng)能更多，顯著提高了結(jié)構(gòu)的被動(dòng)安全性；2)高比吸能率和低載荷均勻性系數(shù)本發(fā)明吸能裝置的多邊形結(jié)構(gòu)能獲得穩(wěn)定的破壞模式，峰值沖擊力降低且吸能性能更好，整體結(jié)構(gòu)被動(dòng)安全性更高；3)裝置形狀規(guī)則，便于加工吸能裝置為規(guī)則的多邊形圓管，圓管外表面為規(guī)則的金字塔型波紋，裝置便于加エ；4)制造成本低


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)ー步說明。圖I是現(xiàn)有技術(shù)中碰撞吸能盒結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是具有金字塔型波紋的圓形薄壁抗撞吸能結(jié)構(gòu)主視圖；圖3是具有金字塔型波紋的圓形薄壁抗撞吸能結(jié)構(gòu)左視圖4是具有金字塔型波紋的圓形薄壁抗撞吸能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向潰縮示意圖；圖5是具有金字塔型波紋的方形薄壁抗撞吸能結(jié)構(gòu)主視圖；圖6是具有金字塔型波紋的方形薄壁抗撞吸能結(jié)構(gòu)左截面；圖7是具有金字塔型波紋的方形薄壁抗撞吸能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向潰縮示意圖；圖8是波紋結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是光滑圓截面吸能結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向潰縮示意圖；附圖標(biāo)記r-吸能單元內(nèi)表面外切圓半徑,h-吸能單元沿薄壁筒中心軸向高度,η-吸能單元 正多邊形內(nèi)表面的邊數(shù)，a-吸能単元正多邊形內(nèi)表面邊長(zhǎng)，b-吸能単元I高度處垂直于薄壁管中心軸的橫截面邊長(zhǎng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。本發(fā)明的具有規(guī)則金字塔型波紋的薄壁圓筒，其主視圖如圖2所示，左視圖如圖3所示，薄壁圓管的外表面沿薄壁圓筒的軸向以一定間距h為ー個(gè)吸能単元，每個(gè)吸能単元的結(jié)構(gòu)和尺寸均相同。薄壁圓筒的吸能単元具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，可描述如下吸能単元是以O(shè)O1為軸的η邊形筒體結(jié)構(gòu)，η為大于等于3的自然數(shù)，當(dāng)η等于11時(shí)筒體結(jié)構(gòu)的左視圖如圖3所示。筒體的內(nèi)橫截面和吸能単元二分之一高度處外橫截面同為邊數(shù)為η的同圓心正多邊形，內(nèi)橫截面多邊形內(nèi)接于半徑為r的圓，吸能単元二分之一高度處外橫截面外切于半徑為r的圓，外切多邊形邊長(zhǎng)b大于內(nèi)接多邊形邊長(zhǎng)a。吸能單元的波紋結(jié)構(gòu)如圖8所示，沿薄壁圓筒的軸向方向，吸能單元的高度為h，吸能單元的內(nèi)表面是內(nèi)接于半徑為r的圓柱體的多邊形柱體。內(nèi)表面的每ー個(gè)棱柱面構(gòu)成吸能単元的一個(gè)吸能體，即圖8中以A為頂點(diǎn)的金字塔型結(jié)構(gòu)，其中金字塔頂點(diǎn)A點(diǎn)到薄壁圓筒中心軸OO1的距離為r，金字塔底面為四邊形，且底面平行于中心軸OO1,金字塔頂點(diǎn)A點(diǎn)向底面的投影點(diǎn)與底面的中心點(diǎn)重合。金字塔結(jié)構(gòu)包括4個(gè)棱錐面，相對(duì)的兩個(gè)棱錐面尺寸相等。
具有金字塔型波紋結(jié)構(gòu)的薄壁圓筒在受到沿中心軸向的外界載荷沖擊后，產(chǎn)生軸線潰縮的示意圖如圖4所示。與光滑圓截面吸能結(jié)構(gòu)受到沿中心軸向沖擊載荷后，產(chǎn)生軸向潰縮的情況(如圖9所示)相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下，在金字塔型波紋的引導(dǎo)下發(fā)生圖4所示的很規(guī)則的變形，且變形分布很均勻，普通圓管則是先在局部發(fā)生屈服，沖擊過程的后期變形不穩(wěn)定。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與普通圓管相比，金字塔型波紋引導(dǎo)軸向沖擊載荷作用下的薄壁管發(fā)生規(guī)則的金剛石破壞模式，變形規(guī)則可預(yù)測(cè)，大大降低沖擊カ的峰值，并且吸能效率更高，顯著提高了結(jié)構(gòu)的被動(dòng)安全性能。如圖5和圖6所示為具有類似波紋結(jié)構(gòu)的薄壁方管吸能結(jié)構(gòu)的主視圖和左視圖。如圖所示，薄壁方管的內(nèi)表面為正方形，外表面為圖8所示的金字塔型波紋結(jié)構(gòu)。同薄壁圓管相似，薄壁方管的外表面沿薄壁方筒的軸向以一定間距h為ー個(gè)吸能単元，每個(gè)吸能單元的結(jié)構(gòu)和尺寸均相同。如圖5和6所75,吸能單兀包含4個(gè)棱柱面,姆個(gè)棱柱面的外表面布置3個(gè)結(jié)構(gòu)和大小均相同的金字塔型波紋結(jié)構(gòu)，金字塔型波紋的數(shù)量可根據(jù)吸能単元內(nèi)表面的圓周長(zhǎng)度調(diào)整，調(diào)整準(zhǔn)則以薄壁圓管為依據(jù)。金字塔型波紋的尺寸為垂直于薄壁方管的中心軸線的圓周方向，確定波紋的數(shù)量；以薄壁圓管的圓周方向含相同數(shù)量的波紋為依據(jù)，制定相同尺寸的金字塔型波紋。本發(fā)明采用的具有金字塔型波紋的正多邊形截面薄筒，經(jīng)過最優(yōu)化設(shè)計(jì)，最優(yōu)參數(shù)η*為11,即吸能結(jié)構(gòu)的內(nèi)截面為正^ 邊形，h*為70. 38mm, r*為40. 16mm。從研究結(jié)果看，在材料規(guī)格相同，用量相等的前提下，金字塔型波紋吸能結(jié)構(gòu)吸收能量26378. 38J，光滑圓截面吸能結(jié)構(gòu)的吸收能量為18314J，具有波紋結(jié)構(gòu)的吸能裝置多吸收44. 03%的能量。對(duì)具有金字塔型波紋結(jié)構(gòu)的薄壁吸能結(jié)構(gòu)(包括薄壁圓筒和薄壁方筒)進(jìn)行綜合吸能測(cè)試，以光滑圓截面和光滑方截面吸能結(jié)構(gòu)作為平行試驗(yàn)。每組平行試驗(yàn)吋，四種結(jié)構(gòu)的材料規(guī)格相同，用量相同，總質(zhì)量均為500kG，沖擊速度均為50km/h。吸能試驗(yàn)結(jié)果如表I所示表I不同結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種薄壁吸能裝置，所述吸能裝置為薄壁管結(jié)構(gòu)，所述吸能裝置包括多個(gè)結(jié)構(gòu)和尺寸相同的筒體結(jié)構(gòu)吸能単元，吸能裝置由吸能単元沿筒體中心軸線方向串聯(lián)而成，其特征在于所述吸能単元的內(nèi)表面為正η邊形柱體，每ー個(gè)棱柱面構(gòu)成吸能単元的一個(gè)吸能體，所述吸能體的外表面為金字塔型波紋結(jié)構(gòu)； 所述吸能體為向外側(cè)凸起的金字塔結(jié)構(gòu)，所述吸能體底面平行于所述薄壁管中心軸，所述吸能體頂點(diǎn)A向底面的投影點(diǎn)與底面的中心點(diǎn)重合，兩相鄰吸能體底面的夾角為￥*180°;所述吸能単元を高度處垂直于薄壁管中心軸的橫截面，內(nèi)橫截面為邊長(zhǎng)為a的正η邊形，所述內(nèi)橫截面內(nèi)接于半徑為r的圓；外橫截面為邊長(zhǎng)為b的正η邊形，所述外橫截面外切于半徑為r的圓。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種薄壁吸能裝置，其特征在于所述吸能裝置為薄壁圓管結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求I所述的ー種薄壁吸能裝置，其特征在于所述吸能単元沿薄壁管中心軸方向的高度為h。
4.如權(quán)利要求I所述的ー種薄壁吸能裝置，其特征在于所述吸能単元的內(nèi)表面為正11邊形柱體，所述吸能單元的高度h為70. 38±2mm,所述吸能單元內(nèi)表面的外切圓柱半徑r為40.16土 1mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種車輛被動(dòng)撞擊時(shí)的薄壁吸能裝置，屬于車輛碰撞沖力的阻尼配件技術(shù)領(lǐng)域。吸能裝置包括相互連接的結(jié)構(gòu)與尺寸均相同的吸能單元，吸能單元的內(nèi)表面為正n邊形，每一條邊構(gòu)成吸能單元的一個(gè)吸能體，吸能體的外表面為金字塔型波紋結(jié)構(gòu)。當(dāng)吸能裝置為正11邊形薄壁圓筒，吸能單元的高度h為70.38mm，吸能單元內(nèi)表面外切圓半徑為40.16mm時(shí)，吸能裝置的吸能效果達(dá)到最佳。吸能裝置能夠同時(shí)滿足高比吸能率和低載荷均勻性系數(shù)的要求，提高交通工具中廣泛應(yīng)用的薄壁吸能結(jié)構(gòu)在發(fā)生被動(dòng)碰撞時(shí)的變形可控制性和吸收沖擊動(dòng)能的性能，從而改善交通工具的被動(dòng)安全性性能。
文檔編號(hào)B60R19/18GK102673501SQ20121012077
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月23日
發(fā)明者楊靖波, 胡曉光 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院