一种三重耦合触发结构及其应用

一种三重耦合触发结构及其应用
【技术领域】
1.本发明涉及交通工具吸能结构技术领域，尤其涉及一种三重耦合触发结构及其应用。


背景技术：

2.耐撞性是指民用飞机等交通工具在发生坠撞事故时，通过自身的变形或破坏吸收冲击动能以达到保护乘员安全的目的。虽然民用航空工业在不断的发展，但是在起飞降落等过程中发生的事故的概率并没有减小，事故发生次数也在不断的增加。因此设计耐撞性能良好的机身结构成为现在民用飞机设计中必须解决的关键问题。
3.保持碰撞过程中乘员的生存空间和限制传递到乘员身上的载荷是民用飞机耐撞性设计的目的。而民用飞机主要是通过起落架系统、机身结构和乘员座椅系统三个方面来达到保护乘员安全的目的，机身结构作为主要的能量吸收结构，在耐撞性设计过程中具有不可替代的作用。
4.能量吸收结构有金属和复合材料两种类型，复合材料结构因具有比强度高、比刚度高和吸能好等有点被广泛应用。复合材料结构在受到冲击压溃载荷下会产生复杂的失效模式，如纤维劈裂、基体剪切、局部屈曲、撕裂、向外伸展和分层等。一旦发生不稳定的失效模式，复合材料结构的耐撞性会受到较大的影响。因此，有必要通过合理的耐撞性设计方法改善复合材料结构的吸能特性，提高材料的吸能效率。
5.吸能结构中引入失效触发机制能可控地诱导复合材料结构产生渐进、稳定的失效模式，是改善结构耐撞性的有效方法之一，触发器的结构设计是提高复合材料结构耐撞性的重要研究内容。单一式触发机制能在一定程度上改善复合材料结构的耐撞性，但复合材料结构仍然无法满足当前汽车或飞机等运载工具对结构耐撞的要求。


技术实现要素：

6.本发明公开了一种三重耦合触发结构及其应用，其可以使耐撞性结构最大限度地吸收冲击动能，且结构简单、制造难度低，大大提升了结构的耐撞性，从而可以解决背景技术中涉及的技术问题。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.一种三重耦合触发结构，包括空心筒状的第一触发结构、设置于所述第一触发结构底部的第二触发结构以及与所述第二触发结构配合的塞子触发结构，所述第二触发结构为向内侧方向倾斜设置的倒角。
9.作为本发明的一种优选改进，所述第一触发结构包括从上至下依次叠设且屈曲强度依次递减的单层板。
10.作为本发明的一种优选改进，所述第一触发结构包括主筒体和设置于所述主筒体底部并沿所述主筒体周向方向阵列设置的多个通孔。
11.作为本发明的一种优选改进，所述第一触发结构包括主筒体和设置于所述主筒体
底部并沿所述主筒体周向方向阵列设置的多条缝隙。
12.作为本发明的一种优选改进，所述缝隙沿所述主筒体高度方向设置有多条。
13.作为本发明的一种优选改进，所述第一触发结构包括主筒体和设置于所述主筒体底部并沿所述主筒体周向方向阵列设置的多个锯齿。
14.作为本发明的一种优选改进，所述第三触发结构设置于所述锯齿底部。
15.作为本发明的一种优选改进，所述塞子触发结构包括塞子本体部和自所述塞子本体部凹陷形成并与所述第一触发结构形状匹配以收纳所述第二触发结构的环形凹槽。
16.作为本发明的一种优选改进，所述第一触发结构横截面呈圆形、椭圆形、矩形、三角形、多边形以及不规则形状。
17.本发明还提供了一种所述的三重耦合触发结构的应用，将所述三重耦合触发结构应用于交通工具上。
18.本发明的有益效果如下：使耐撞性结构最大限度地吸收冲击动能，且结构简单、制造难度低，大大提升了结构的耐撞性。
【附图说明】
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图，其中：
20.图1为本发明实施例1提供的三重耦合触发结构的结构示意图；
21.图2为图1中所示的塞子触发结构的结构示意图；
22.图3为本发明实施例1提供的第一触发结构和第二触发结构的结构示意图；
23.图4为本发明实施例2提供的第一触发结构和第二触发结构的结构示意图；
24.图5为本发明实施例3提供的第一触发结构和第二触发结构的结构示意图；
25.图6为本发明实施例4提供的第一触发结构和第二触发结构的结构示意图；
26.图7为本发明方型界面凹型塞子触发的结构示意图；
27.图8为本发明凹面-圆形截面-凸型塞子触发结构的结构示意图；
28.图9为本发明方型斜面凸型塞子触发结构的结构示意图；
29.图10为本发明实施例1中第一触发结构在塞子触发结构的环形凹槽中的形变过程示意图；
30.图11为倒角+槽型塞子触发结构与三重耦合触发结构的压溃载荷-压溃位移图；
31.图12为倒角+槽型塞子触发结构与三重耦合触发结构的压溃过程仿真图；
32.图13为单一触发结构、双重耦合触发结构和三重耦合触发结构的压溃载荷-短压溃位移曲线图；
33.图14为单一触发结构、双重耦合触发结构和三重耦合触发结构的压溃载荷-增加压溃位移曲线图；
34.图15为单一触发结构、双重耦合触发结构和三重耦合触发结构的失效过程仿真图。
【具体实施方式】
35.下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
37.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
39.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
40.实施例1
41.请参阅图1-3所示，本发明提供一种三重耦合触发结构，包括空心筒状的第一触发结构1、设置于所述第一触发结构1底部的第二触发结构2以及与所述第二触发结构2配合的塞子触发结构3，所述第二触发结构2为向内侧方向倾斜设置的倒角。这样，所述第一触发结构1、所述第二触发结构2以及所述塞子触发结构3组成整体的三重耦合触发结构。
42.具体的，所述第一触发结构1横截面呈圆形、椭圆形、矩形、三角形、多边形以及不规则形状。所述第一触发结构1包括从上至下依次叠设且屈曲强度依次递减的单层板11。所述塞子触发结构3包括塞子本体部31和自所述塞子本体部31凹陷形成并与所述第一触发结构1形状匹配以收纳所述第二触发结构2的环形凹槽32。所述第一触发结构1在所述塞子触发结构5的所述环形凹槽32内的失效过程如图10所示。
43.需另外说明的是，所述塞子触发结构3包括但不局限于图2中所示的形状，其还可以为图7-9所示的方型界面凹型塞子触发结构、凹面-圆形截面-凸型塞子触发以及方型斜面凸型塞子触发结构。
44.实施例2
45.再结合图4所示，实施例2与实施例1不同的是，所述第一触发结构1包括主筒体12和设置于所述主筒体12底部并沿所述主筒体12周向方向阵列设置的多个通孔13。多个所述通孔13沿同一水平面设置，且沿所述主筒体12的周向方向均匀设置。
46.实施例3
47.再结合图5所示，实施例3与实施例1不同的是，所述第一触发结构1包括主筒体12
和设置于所述主筒体12底部并沿所述主筒体12周向方向阵列设置的多条缝隙14。所述缝隙14沿所述主筒体12高度方向设置有多条。
48.实施例4
49.再结合图6所示，实施例4与实施例1不同的是，所述第一触发结构1包括主筒体12和设置于所述主筒体12底部并沿所述主筒体12周向方向阵列设置的多个锯齿15。所述锯齿15的形状并不局限于图中所示的等腰梯形，还包括但不限于矩形、跑道型等形状。
50.需要进一步说明的是，所述第三触发结构3设置于所述锯齿15底部。
51.下面以实施例5对本发明实施例1-4提供的三重耦合触发结构的耐撞性进行研究。
52.实施例5
53.假设第一触发结构为复合材料方管，且底部截面为边长为63.5mm的正方形，高为50mm。采用软件对不同触发结构进行压溃吸能数值仿真实验。
54.参见图11所示，可见，在25mm位移之前，三重耦合触发结构对应的压溃行为与双重耦合触发结构对应的压溃行为类似，如初始峰值载荷、升降趋势和初始应力分布。然而，在25mm位移之后，除了倒角+材料属性梯度折减型+槽型塞子触发(对应实施例1)，其余三重耦合触发结构对应的压溃载荷快速降低。这是因为倒角+槽型塞子触发、倒角+开孔+槽型塞子触发(对应实施例2)、倒角+开缝+槽型塞子触发(对应实施例3)、倒角+锯齿型+槽型塞子触发(对应实施例4)均导致了中高度的屈曲失效。
55.再结合图12所示，可发现倒角+材料属性梯度折减型+槽型塞子触发表现稳定上升的初始载荷、较高的稳定压溃载荷，同时伴随着较小的波动，并且对应的整个压溃过程都没有产生屈曲失效。因此，倒角+材料属性梯度折减型+槽型塞子触发相对于其它三重耦合式触发具有明显的优势，拥有倒角触发、材料属性梯度折减型触发和槽型塞子触发的所有触发诱导特征，是研究的触发机制中最优的一个。
56.通过研究已证明三重耦合触发结构能够更大地提升复合材料方管的耐撞性，因此将深入开展触发机理分析。图13-15对比了单一触发结构、双重耦合触发结构和三重耦合触发结构对应的压溃载荷-位移曲线和失效模式。
57.具体的，如图13所示，在22mm位移之前，倒角+材料属性梯度折减型+槽型塞子触发与倒角+材料属性梯度折减型对应的压溃行为基本相同。这是由于材料属性梯度折减型触发阻碍了方管发生屈曲失效，并且失效的材料没有与槽壁发生接触。因此，槽型塞子触发对压溃的前半阶段基本没有影响。当位移达到22mm后，双重耦合触发结构和三重耦合触发结构对应的压溃载荷产生了明显的变化。如图14所示，倒角+材料属性梯度折减型触发诱导了向内和向外的伸展模式，而倒角+材料属性梯度折减型+槽型塞子触发诱导了失效材料堆积和反复折叠模式。另外，倒角+材料属性梯度折减型+槽型塞子触发结构不像开孔和开缝触发会移除局部材料，而是全部堆积于槽内。因此，倒角+材料属性梯度折减型触发在耦合槽型塞子触发后可提升方管的承载与吸能。通过计算可得知，相对于倒角+材料属性梯度折减型触发，倒角+材料属性梯度折减型+槽型塞子触发可使复合材料方管在稳定压溃阶段的吸能提升26.62％。
58.综上可见，本发明提供的三重耦合触发结构相对于单一触发结构、双重耦合触发结构并非是简单的增加一个槽型塞子，或者简单的结构组合，而是可以显著提高触发结构的耐撞性能，或者说，更稳定的抗压溃性能。
59.本发明还提供了一种所述的三重耦合触发结构的应用，将所述三重耦合触发结构应用于交通工具上。
60.本发明的有益效果如下：使耐撞性结构最大限度地吸收冲击动能，且结构简单、制造难度低，大大提升了结构的耐撞性。
61.尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。