一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统的制作方法

本发明涉及吸能系统的技术领域，更确切地说，是涉及一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能结构，该吸能系统在航空航天、交通运输以及重要设施的防撞减震方面具有重要的意义。

背景技术：

近年来，随着飞机、车辆和船舶等交通运输工具的迅速发展，碰撞、冲击带来的安全事故也大大增加，严重威胁着人们生命、财产安全。因此如何根据结构的受载特征，设计出灵活、便捷、力学性能优异的抗冲击吸能系统，已成为冲击吸能领域中的研究热点。

薄壁管状结构由于其易于加工、成本低廉、变形稳定、变形行程长、初始峰值力小等优势，一直以来被广泛运用于冲击防护和能量吸收。因此生活中常见的抗冲击吸能系统大多是将多排圆管组装起来的。

然而，在不加任何外界约束的条件下，由多排圆管组成的吸能系统在承受冲击载荷时，圆管会发生横向飞溅，大大降低吸能效率，严重的会引起二次伤害。工程中通常采取在圆管系统的边界安装额外强度较大的挡板，或者在圆管之间添加固定装置来约束圆管之间的相对运动，避免产生横向飞溅。但是，这两种方法都不同程度上增加了安装的时间和人力成本，不能快速、便捷的应对突发事故。为了解决圆管系统的这一不足，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，但是只能应对特定方向的冲击。

因此，设计出一种可应对空间任意方向冲击、易于拆装、经济实用的能量吸收系统，是一件很有意义的工作。对于提高材料利用率、快速高效的应对突发事故、最大程度的降低生命财产损失有着重要的价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统，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。

本发明采用的技术方案为：一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统，其特征在于：每个风车状薄壁管分结构由四个叶片组成，每个叶片的截面形状为两平行直线通过圆心角为270°圆弧连接而成，整个分结构呈现出中心对称特征，若干个风车状薄壁管分结构交错排列组成多排多列组合结构，相邻两排、两列结构在冲击过程中能够达到自锁的效果；

所述的薄壁管分结构较窄薄板的宽度w与薄壁圆管的半径r满足w≥2r；

所述的薄壁管分结构的轴向总长度l与薄壁圆管的半径r满足l≥9r；

所述的薄壁管分结构为了保证外曲面连续光滑，在角点处需进行倒角，倒角半径p与薄壁圆管半径r满足p≤r；

进一步的，风车状薄壁管分结构之间的交错排列无需在外部安装约束装置或在内部加工连接装置，即可排列组成吸能系统。

进一步的，薄壁管分结构中圆管半径r与薄壁管厚度t满足r/t＞5。

进一步的，在由风车状薄壁管分结构拼装成多维度自锁吸能系统时，只需保证所有分结构的圆管朝向相同，同为顺时针或同为逆时针。

本发明的原理在于：

一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统，整体为金属材料制成的多个风车状薄壁管交错排列而成的组合结构。每个分结构由四个叶片组成，每个叶片的截面形状为两平行直线通过圆心角为270°圆弧连接而成，整个分结构呈现出中心对称特征。风车状薄壁管的形状比例使相邻两排、两列结构在任意方向冲击过程中达到自锁的效果。每层放置风车状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。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统，在空间任意方向冲击过程中可实现自锁定，即无需在外部安装约束装置或在内部加工连接装置，有较强的经济性。

2、本发明一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统，该结构易于拆卸和安装，组装过程中各个分结构之间无需定位装置，安装无技术难度，耗时少，可满足紧急情况抗冲击需求。

3、本发明一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统，由多个风车状薄壁管分结构组成，可根据冲击能量大小及场地等实际情况需求，增减风车状薄壁管分结构的个数和层数，随时调整空间多维自锁吸能系统的规模，具有很好的灵活性和可调节性。

附图说明

图1为本发明所涉及的组合结构示意图。

图2为本发明所涉及的组合结构横截面示意图。

图3为本发明所涉及的单个风车状薄壁管分结构示意图。

图4为本发明所涉及的单个风车状薄壁管分结构倒角前、后横截面的示意图。

图5为本发明所涉及的实施例1数值模拟中组合结构侧向承载变形前的示意图。

图6为本发明所涉及的实施例1数值模拟中组合结构侧向承载变形后的示意图。

图7为本发明所涉及的实施例1数值模拟中组合结构侧向承载能量位移曲线的示意图。

图8为本发明所涉及的实施例2数值模拟中组合结构纵向承载变形前的示意图。

图9为本发明所涉及的实施例2数值模拟中组合结构纵向承载变形后的示意图。

图10为本发明所涉及的实施例2数值模拟中组合结构纵向承载能量位移曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统，如图1所示，整体为金属材料制成的多个风车状薄壁管排列而成的组合结构；

为达到预期的自锁效果，所述风车状薄壁管分结构拼装成空间多维自锁吸能系统时，只需保证所有分结构的圆管朝向相同，同为顺时针或同为逆时针，如图2所示，所有分结构的圆管朝向同为顺时针。

为达到预期的自锁效果，尺寸可根据需要在比例范围内自由选定，应满足薄壁管分结构中圆管的半径r与薄壁管厚度t满足r/t＞5，薄壁管分结构较窄薄板的宽度w与薄壁圆管的半径r满足w≥2r；

实施例1：一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统侧向承载情况分析

通过仿真模拟计算所安装的相应的可多维自锁吸能系统侧向承载的吸能效果。通过将36个风车状薄壁管分结构交错排列组成6排6列组合结构。单个分结构参数如下：薄壁圆管半径r＝10mm，较窄薄板宽度w＝20mm，倒角半径p＝10mm，厚度t＝0.5mm，轴向长度l＝367mm。采用ABAQUS/Explicit进行动态模拟。

设置冲击物时速为v＝72km/h＝20m/s，冲击物质量m＝133kg,计算得冲击能量E＝1/2mv²＝1/2×133×20²J＝2.66×10⁴J。根据数值模拟得到力-位移曲线，积分可得到组合结构所吸收的能量，可参照附图(图7)组合结构侧向承载的能量位移曲线，得知吸收最大能量为Emax＝2.41×10⁴J，吸收了总冲击能量的90.6％。如果采用传统圆管，在同样的边界条件约束下，圆管直接被冲散发生无规律飞溅，吸收能量的能力非常小，可忽略不计。

实施例2：一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统纵向承载情况分析

通过仿真模拟计算所安装的相应的可多维自锁吸能系统纵向承载的吸能效果。通过将36个风车状薄壁管分结构交错排列组成6排6列组合结构。单个分结构参数如下：薄壁圆管半径r＝10mm，较窄薄板宽度w＝20mm，倒角半径p＝10mm，厚度t＝0.5mm，轴向长度l＝367mm。采用ABAQUS/Explicit进行动态模拟。

设置冲击物时速为v＝144km/h＝40m/s,冲击物质量为m＝266kg。计算得总冲击能量E＝1/2mv²＝1/2×266×40²J＝2.128×10⁵J。根据数值模拟得到力-位移曲线，积分可得到组合结构所吸收的能量，可参照附图(图10)组合结构纵向承载的能量位移曲线，得知吸收最大能量为Emax＝2.05×10⁵J，吸收了总冲击能量的96.33％。如果采用传统圆管，在同样的边界条件约束下，圆管直接被冲散发生无规律飞溅，吸收能量的能力非常小，可忽略不计。

自锁吸能系统吸收能量的能力主要由几何结构和几何尺寸决定，在保持风车状截面结构不变的情况下，在本发明规定的比例范围内，可适当调节结构尺寸，不改变自锁吸能系统的自锁效果。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。