一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统

1.本实用新型涉及薄壁管吸能系统的技术领域，更确切地说，是涉及一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统，该吸能系统可应用于航空航天、船舶、汽车等交通运输以及重要设施需要抵抗冲击减震的防护系统中。


背景技术：

2.为了在紧急事故情况下快速灵活的响应，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。
3.金属薄壁管由于其重量轻、加工工艺简单、成本低廉等特点，被广泛应用于吸能装置。同时，金属薄壁管具有相对密度小、刚度低，且冲击作用下变形强等优点，被广泛应用于防撞、抗冲击领域。但考虑到复杂工况下，传统结构已无法满足大型工程领域缓冲装置的配置需求，因此，研究能提供更优吸能性且截面构造简单的金属薄壁管组合结构吸能系统具有重大的意义。
4.传统的能量吸收装置常使用圆管、圆环、方管等，因其加工简单，成本较低并能提供较长的受压行程。然而，传统的组合结构在冲击作用下会发生侧向飞溅，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，约束组合结构的横向位移。但以上措施都需要较长的时间，拼装能量吸收装置，应对突发情况不理想。为了解决传统薄壁圆管吸能系统的缺陷，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，但是管件系统自锁方向单一无法应对复杂工况。一种多维度自锁的薄壁球串吸能系统在之前被提出，克服了传统单向自锁吸能系统只能承受单一特定方向载荷保持自锁的缺陷，但其系统的立体扩展受限于薄壁管分结构的尺寸。
5.所以，设计一种吸能稳定性好、吸能效率高、力学编程性能强的能量吸收系统，对于提高材料利用率、降低防护系统成本、抵抗复杂工况下的冲撞以及降低生命财产损失有着重要的价值。


技术实现要素：

6.为解决背景技术中现有的薄壁管吸能系统在三维空间扩展效果不佳的问题，本实用新型的目的在于提供一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统，该吸能系统可实现在三维方向快速扩展且不受薄壁管分结构尺寸的限制，并可抵抗空间多方位的冲击碰撞，为防护系统在复杂工况下服役提供更为有效、经济、安全的保障。
7.本实用新型的实施例可以这样实现：
8.本实用新型的实施例提供一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统，其特征在于：每个串联薄壁管分结构由四个长条椭圆管与三组平行薄板串联组成，若干个串联薄壁管分结构以一进一退且相邻薄壁管等间距间隔的形式交错排列，以此实现系统在y轴方向
的扩展，第二层以相同的排列方式沿x轴扩展并垂直搭接在第一层上，完成一组串联薄壁管的搭接，若干组串联薄壁管错位堆叠实现吸能系统在z轴方向的纵向扩展，其余各层之间都按此嵌合方式组成多排多列组合结构，实现组合薄壁管结构在空间全方位的冲击过程中能够达到相邻结构件自锁定的效果。
9.所述的薄壁管分结构横截面为四个相同大小的的长条椭圆管由等间距平行薄板串联而成，且平行薄板的宽度h与主体管宽度n满足h＝n；
10.所述的薄壁管分结构主体管长度w与宽度n满足w＝3n；
11.所述的薄壁管分结构圆角半径r与主体管宽度n满足r＝2n；
12.所述的薄壁管分结构轴向长度l与主体管宽度n满足l＝n。
13.进一步的，在x-y轴平面内，若干个串联薄壁管分结构以一进一退的方式交错排列，且相邻两薄壁管端头前后错开距离为一个平行薄板的宽度和主体管轴向长度，即错开距离为h+l，又有相邻两薄壁管间隔距离为一个主体管的宽度n，沿z轴方向的薄壁管分结构以上下两层纵横交错堆叠放置为一组，若干组错位堆叠的嵌合方式组成三维空间立体结构，实现组合结构在三维方向可快速扩展且不受薄壁管分结构尺寸的限制。
14.进一步的，沿x-y轴平面内扩展的串联薄壁管分结构个数不少于2n个，且 n≥2，沿z轴扩展的组数不少于2组。
15.进一步的，所述吸能系统材料为金属薄壁管结构。
16.本实用新型的原理在于：
17.一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统，为金属材料制成薄壁管结构，吸能系统由若干个串联薄壁管间隔交错排列组成，实现组合结构在三维方向可快速扩展且不受薄壁管分结构尺寸的限制；串联薄壁管分结构的形状比例和吸能系统的排列方式使相邻结构在空间全方位冲击过程中达到自锁定的效果本实用新型的有益效果为：
18.1、本实用新型一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统，在承受空间全方位冲击过程中可实现结构件自锁定，即无需设置约束边界位移挡板或在相邻管件间设置连接件，满足防护系统的安全、经济、适用等特性的综合要求。
19.2、本实用新型一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统，若干个串联薄壁管以前后交错、等间距间隔以及上下层薄壁管纵横交错堆叠的排列方式，在无需设置外部或内部连接配件的情况下，即可实现组合结构在三维方向快速扩展且不受薄壁管分结构尺寸的限制，提高防护系统在复杂工况中的应对能力。
20.3、本实用新型一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统，吸能系统是由若干个串联薄壁管分结构组成，薄壁管分结构的个数和组合结构的层数可根据实际冲撞能量和工作面大小灵活调整，吸能系统具有良好的可编程性。
附图说明
21.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。
22.图1为本实用新型所涉及的串联薄壁管分结构示意图。
23.图2为本实用新型所涉及的串联薄壁管分结构横截面示意图。
24.图3为本实用新型所涉及的一组串联薄壁管组合结构示意图。
25.图4为本实用新型所涉及的吸能系统组装示意图。
26.图5为本实用新型所涉及的吸能系统立体扩展示意图。
27.图6为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中吸能系统在z轴方向承载变形的示意图。
28.图7为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中吸能系统在z轴方向承载下的力—位移曲线的示意图。
29.图8为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中吸能系统在x轴方向承载变形的示意图。
30.图9为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中吸能系统在x轴方向承载下的力—位移曲线的示意图。
31.图10为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中吸能系统在x-z轴平面内夹角45度方向承载变形的示意图。
32.图11为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中吸能系统在x-z轴平面内夹角45度方向承载下的力—位移曲线的示意图。
33.图1中：a.串联薄壁管分结构的主体管a；b.串联薄壁管分结构的主体管 b。
34.图3中：1.沿y轴排布的第一个串联薄壁管；2.沿y轴排布的第二个串联薄壁管；3.沿x轴排布的第一个串联薄壁管；4.沿x轴排布的第二个串联薄壁管。
35.图4中：5.第二组沿y轴分布的第一个串联薄壁管；6.第三组沿y轴分布的第一个串联薄壁管。
具体实施方式
36.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。
37.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。
38.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。
39.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。
40.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。
41.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。
42.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：
43.本实用新型一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统，为达到预期的自锁效果，薄壁管分结构尺寸可根据需要在比例范围内调整，如图1、图2所示，应满足薄壁管分结构中平行薄板的宽度h与主体管宽度n满足h＝n，主体管长度w与宽度n满足w＝3n，分结构圆角半径r与主体管宽度n满足r＝2n，分结构轴向长度l与主体管宽度n满足l＝n。
44.为达到预期的自锁效果，所述串联薄壁管一组由两层薄壁管交错堆叠搭接，如图3所示，第一层薄壁管沿y轴方向以一进一退等间距间隔的排列方式分布，薄壁管1与薄壁管2端头前后错开距离为一个平行薄板的宽度h和主体管轴向长度l，两管间的间隔距离为一个主体管的宽度n。第二层薄壁管与第一层相同的排列方式沿x轴方向扩展，并以垂直于第一层的方向，薄壁管3和管4的平行薄板分别与管2和管1的平行薄板贴合。沿x-y轴平面内扩展的串联薄壁管分结构个数不少于2n个，且n≥2。
45.为达到预期的吸能系统在三维方向快速扩展且不受薄壁管分结构尺寸的限制的效果，所述的吸能系统整体为金属材料制成，并以组为单位堆叠排列而成，堆叠方式为：沿x轴，将第二组薄壁管5的主体管a放入内槽1中，将第三组薄壁管6的主体管b放入第二组的内槽中，其余各层以此方式错位嵌合，实现吸能系统在z轴方向的扩展。组装过程如图4所示。
46.为应对复杂工况下的紧急情况，所述吸能系统可根据实际冲撞能量和工作面大小灵活调整外观尺寸，立体扩展效果如图5所示。
47.实施例:通过仿真模拟计算一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统在三维空间多个方向的荷载下吸能效果。通过将5组串联薄壁管拼装成的吸能系统，每组薄壁管的排列方式为沿x轴4个、沿y轴4个分布。单个分结构参数如下：长条椭圆主体管长度为w＝30mm，宽度为n＝10mm，圆角半径r＝5mm，平行薄板间距离s＝2mm，壁厚t向内施加0.5mm；平行薄板宽度h＝10mm。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，冲击板的质量为60kg，h为吸能系统变形前的高度，u为冲击板的加载位移，加载方式分别为：
48.1、冲击板沿z轴以12m/s对吸能系统施加载荷，吸能系统承受冲击后的变形图如6所示，模拟冲击测试的力—位移曲线如图7所示。
49.2、冲击板沿x轴以10m/s对吸能系统施加载荷，吸能系统承受冲击后的变形图8所示，模拟冲击测试的力—位移曲线如图9所示。
50.3、上板沿x-z轴平面内夹角45度方向以10m/s对吸能系统施加载荷，吸能系统承受冲击后的变形图如10所示，模拟冲击测试的力—位移曲线如图11 所示。
51.通过有限元模拟测试，一种空间全方位自锁的串联薄壁管吸能系统在空间多个方向的冲击作用下可实现结构的自锁效果，即无管件的飞溅，且能稳定吸收能量。
52.本实用新型未尽事宜为公知技术。
53.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。