一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统技术方案

本发明专利技术公开了一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统，为金属材料制成风车状薄壁管结构，组合结构由若干个风车状薄壁管分结构交错排列组成，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。本发明专利技术通过仿风车外轮廓设计，实现在空间任意方向冲击过程中各个相邻风车状分结构之间的自锁定，克服了传统吸能系统需要在外部安装约束装置或在内部加工连接装置的缺陷，大大降低了拆装的时间成本和人力物力成本，也解决了传统哑铃状自锁管吸能系统只能应对特定单一方向冲击的不足，利用结构间的自锁效应将冲击能量转化为结构的弹性变形和塑性耗散，能够有效的吸收冲击能量。根据冲击物能量和场地实际情况，可自由调节组合结构每层放置风车状薄壁管分结构的个数和层数，简单有效的提高材料的利用率。

A multi-dimensional self-locking windmill-shaped thin-walled tube structure easy to assemble energy absorption system

【技术实现步骤摘要】
一种可多维自锁的风车状薄壁管结构易组装吸能系统
本专利技术涉及吸能系统的
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用的技术方案为：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。本专利技术的原理在于：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。本专利技术与现有技术相比的优点在于：1、本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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为本专利技术所涉及的组合结构示意图。图2为本专利技术所涉及的组合结构横截面示意图。图3为本专利技术所涉及的单个风车状薄壁管分结构示意图。图4为本专利技术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为本专利技术所涉及的实施例1数值模拟中组合结构侧向承载变形前的示意图。图6为本专利技术所涉及的实施例1数值模拟中组合结构侧向承载变形后的示意图。图7为本专利技术所涉及的实施例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为本专利技术所涉及的实施例2数值模拟中组合结构纵向承载变形前的示意图。图9为本专利技术所涉及的实施例2数值模拟中组合结构纵向承载变形后的示意图。图10为本专利技术所涉及的实施例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专利技术作进一步的详细说明。本专利技术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，吸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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平板的宽度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。

【技术特征摘要】
1.一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平板的宽度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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玉丽，熊峰，杨奎坚，胡湘，张磊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11