提高薄壁结构抗屈曲和抗冲击能力的方法与流程

本发明涉及结构轻量化技术领域，尤其是涉及一种提高薄壁结构抗屈曲和抗冲击能力的方法。

背景技术：

薄壁结构是由薄板、薄壳和细长杆件组成的结构，能以较小的重量和较少的材料承受较大的载荷。20世纪30年代，飞机飞行速度日益提高，要求飞机有光滑的外形，金属薄壁结构就取代了蒙布杆系结构而成为飞行器的主要结构形式。从那个时候起，人们对薄壁结构系统的理论分析和实验研究。使薄壁结构在工程上得到越来越广泛的应用。薄壁结构具有重量轻，比刚度大的优点，被广泛应用于各种工程结构中。但是薄壁结构受压力作用时容易产生屈曲现象，抗冲击性能也不太好。通常会通过在这些薄壁结构中间加布泡沫或蜂窝材料来提高其“刚度”，提高其抗屈曲和抗冲击的能力。这些填充材料会在一定程度上增加结构的重量，同时也会增加局部硬度而导致整体可恢复变形功能下降。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种提高薄壁结构抗屈曲和抗冲击能力的方法，以达到针对不同结构的薄壁结构实现抗屈曲和抗冲击的效果。

本发明采取的技术方案是，提供一种提高薄壁结构抗屈曲和抗冲击能力的方法，包括在所述薄壁结构内填充至少一个气囊的步骤。

还设有通过气泵系统保持所述薄壁结构内气囊压力的步骤，其中气囊与气泵系统保持连通。

还设有通过气泵系统调整气囊内压力用于调节薄壁结构刚度的步骤。

所述气泵系统包括气泵和气管，气泵的出口上设有与气管一端连接的气嘴，气管的另一端连接气囊。

还包括通过气泵系统内设置的压力检测系统检测气囊内压力的步骤。

通过所述薄壁结构和或至少一个所述气囊发生破坏的方式吸收结构所受的冲击。通过关于薄壁结构和气囊的破坏的合理设计，可使得结构达到最佳的吸能效果。而且通过气囊的逐步破坏还可实现逐级吸能。

还包括在所述薄壁结构中设置至少一个气囊的设计步骤：

s1：确定局部变形作用半径

s2：求解下面方程得到气囊受冲击体积改变后的气压p，

s3：求解薄壁结构的局部位移和整体位移，

s4：给定参数：薄壁结构的弹模e，薄壁结构的长度l，薄壁结构的直径d，薄壁结构的壁厚t，薄壁结构的泊松比μ，薄壁壳的密度ρ，气囊内初始气压p0，撞击物体的质量m，撞击的初速度v，撞击的作用时间t0。通过实验或数值仿真的方法确定无量纲系数α∈(0,1)，其中冲击载荷作用时间t0→0时α＝1，t0→∞时α＝0；

s5：根据设计要求对各参数进行设计使得δ局部+δ整体满足设计要求。

在设计步骤中所述薄壁结构的截面惯性矩

在设计步骤中所述薄壁壳的弯曲刚度d，μ为薄壁结构的泊松比。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的薄壁结构具有局部软整体刚的优点，应用在汽车防撞梁上可更好地保护行人安全。

(2)改变薄壁结构变形局部化特征，局部变形扩展到整体变形。

(3)本发明采用多气囊结构，可调节阻尼特性，一定程度上提高了结构的动态性能。

(4)本发明能够提高薄壁结构的抗屈曲和抗冲击能力。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构原理图；

图2本发明实施例1中薄壁结构受到冲击力的作用时变形情况示意图；

图3为本发明实施例1中薄壁结构内加装气囊受到冲击力的作用时变形情况示意图；

图4为本发明实施例2中汽车防撞梁布设气囊示意图；

图5为本发明实施例3中汽车发动机盖布设气囊示意图；

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种提高薄壁结构抗屈曲和抗冲击能力的方法。

原则上是在薄壁结构如双层或封闭截面薄壁结构内填充一个或多个气囊，如图1所示一种提高薄壁结构抗屈曲和抗冲击能力的方法，所述薄壁结构中填充一个或多个气囊的初步设计方法为：

s1：确定局部变形作用半径：

s2：求解下面方程得到气囊受冲击体积改变后的气压p：

s3：求解薄壁结构的局部位移和整体位移：

s4：给定参数：薄壁结构的弹模e，薄壁结构的长度l，薄壁结构的直径d，薄壁结构的壁厚t，薄壁结构的泊松比μ，薄壁壳的密度ρ，气囊内初始气压p0，撞击物体的质量m，撞击的初速度v，撞击的作用时间t0。通过实验或数值仿真的方法确定无量纲系数α∈(0,1)，其中冲击载荷作用时间t0→0时α＝1，t0→∞时α＝0。

s5：根据设计要求对各参数进行设计使得δ局部+δ整体满足设计要求。

上述公式的推导过程如下：

由(1)有：

w局部为冲击局部产生的局部变形能；w整体为冲击整体产生的变形能；m为冲击物体质量，v为冲击物体冲击速度，α为无量纲系数。δ整体为薄壁结构受冲击发生的整体位移。e为薄壁结构的弹模，l为薄壁结构的长度，为薄壁结构的截面惯性矩，d为薄壁结构直径，t为薄壁结构壁厚。

f为薄壁结构受到的外载，w10为f作用下在该作用力点处产生的位移，p为气囊受冲击体积改变后的气压，w20为p作用下作用力f处产生的位移。w1(r)为f作用下作用区域内的位移，w2(r)为p作用下作用区域内的位移。作用区域为半径为r的圆域。

取r＝0有：

把(4)(5)(6)(7)代入3有：

由得：

求解(8)有：

其中为薄壁壳的弯曲刚度，μ为薄壁结构的泊松比。

冲击产生的局部位移为：

下面求解气囊受冲击体积改变后的气压p；

f作用下薄壁结构产生的体积改变δv为：

由于为常数，假设气囊受冲击时温度不变，则有：

(10)代入(11)有：

解上述方程(12)可得p，其中p0为气囊内初始气压。

作用区域半径r为薄壁壳中弯曲波波长：

r＝vt

其中v为薄壁壳中弯曲波传播速度，t为薄壁壳中弯曲波周期。

t＝t0

其中t0为冲击载荷作用时间，ω为薄壁壳中弯曲波角频率，为薄壁壳单位面积质量，ρ为薄壁壳的密度。

则有，

进一步的，所述步骤s3中，还包括在薄壁结构加装气泵系统的步骤，所述气囊与气泵系统相连通。

所述气泵系统，可保持气囊内气压,还可根据需要调整气囊内压力，调节薄壁结构的刚度。气囊与气泵系统相连通。

且上述多个气囊可以是单独的，也可以是相互连接的，多个气囊之间通过通气管连接，可根据需要设计通气管尺寸，调节薄壁结构的局部动刚度。

进一步的，所述气泵系统包括气泵和气管，所述气泵上设有气嘴，所述气管一端连接气嘴，另一端连接气囊。

气泵系统包括压力测量系统，气嘴，气管，气泵等，用于实时检测压力的稳定(或调节)压力。

所述薄壁结构和所述一个或多个气囊都可发生破坏。通过关于薄壁结构和气囊的破坏的合理设计，可使得结构达到最佳的吸能效果。而且通过气囊的逐步破坏还可实现逐级吸能。

实施例2

如图4所示，本实施例提供汽车防撞梁可设计成薄壁结构内布设多个相连的气囊，气囊与气囊间通过通气管相连。当防撞梁受到碰撞时，结构局部会发生变形，撞击位置处气囊的气体会流向旁边的气囊，变形区域增大，变形幅值减少，通常情况下(小碰撞)局部和整体的变形均可恢复。大碰撞的情况下，该结构可抵抗更大的冲击力。

既可轻量化，又可提高撞到行人的安全性。

实施例3

如图5所示，本实施例提供一种汽车发动机舱盖，汽车发动机盖可设计成薄壁结构内布设多个相连的气囊，气囊与气囊间通过通气管相连。当汽车发动机盖受到碰撞时，结构局部会发生变形，撞击位置处气囊的气体会流向旁边的气囊，变形区域增大，变形幅值减少，通常情况下(小碰撞)局部和整体的变形均可恢复。大碰撞的情况下，该结构可抵抗更大的冲击力。进气口可设在气囊间，也可每个气囊单独连接气泵。既可轻量化，又可降低发动机被外部结构嵌入的风险，还可提高撞到行人的安全性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。