一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，目的是解决现有防护结构泡沫夹芯结构可设计性差，泡沫铝填充薄壁管易发生欧拉屈曲和存在明显的初始峰值应力等问题。本发明专利技术由N个缓冲吸能单元，上面板，下面板组成；上面板和下面板相互平行，N个缓冲吸能单元夹在上面板和下面板之间，N个缓冲吸能单元1的中轴线OO’均垂直于上面板和下面板；缓冲吸能单元由驱动薄壁管、膨胀薄壁管和梯度缓冲芯体组成；梯度缓冲芯体填充于驱动薄壁管的内腔，驱动薄壁管的小直径圆筒插入膨胀薄壁管；梯度缓冲芯体由低密度泡沫层、中密度泡沫层和高密度泡沫层组成。本发明专利技术结构简单、成本低、可设计性强、无明显初始峰值应力、抗冲击性能优异。

Sandwich protection structure based on gradient foam aluminum filled expanded thin-walled pipe

The invention discloses a sandwich protection structure based on gradient foam aluminum filled thin-walled tube, aiming to solve the poor design of the existing foam sandwich structure of the protective structure, and the Euler buckling and the obvious initial peak stress of the thin-walled tube filled with aluminum foam. The invention is composed of N buffering energy absorbing units, the upper panel and the lower panel; the upper panel and the lower panel are parallel to each other, n buffering energy absorbing units are clamped between the upper panel and the lower panel, the central axis OO 'of N buffering energy absorbing units 1 is perpendicular to the upper panel and the lower panel; the buffering energy absorbing unit is composed of driving thin-walled tube, expanding thin-walled tube and gradient buffer core body; the gradient buffer core body is filled with A small diameter cylinder driven by a thin-walled tube is inserted into an expansion thin-walled tube, and a gradient buffer core consists of a low density foam layer, a medium density foam layer and a high density foam layer. The invention has the advantages of simple structure, low cost, strong designability, no obvious initial peak stress and excellent impact resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构
本专利技术属于一种爆炸冲击防护结构，具体涉及一种芯体为梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构。
技术介绍
炸药爆炸在极短的时间内瞬间将全部的化学能转化为爆炸能量，把爆炸产生的产物转为高温、高压状态，高温、高压状态的爆轰产物会迅速挤压周围的气体，形成压力巨大的冲击波。爆源周围的冲击波超压可以达到数十GPa，对人员安全造成严重威胁。军用装甲车辆经常会遭遇各种武器的爆炸性袭击，为了减小对车内人员的伤害，军用装甲车辆采用一些新结构或新技术提高军车的防爆性。传统工程设计领域中，一般通过增加军用装甲车防护结构刚度和防护层厚度，提高冲击能量吸收，以提高军用装甲车防护结构的抗冲击性能。这种方式虽然能够达到对军用车辆和内部人员的防护要求，但是最终使得军车防护结构的自重和工程造价大幅提高。新型轻质材料和结构的研究不仅能够提高军车防护结构吸能性能，达到抗冲击设计目标，而且能够降低防护结构自重、减小工程成本，有着非常重要的工程应用和科学研究价值。目前常用的轻质防护结构类型很多，主要包括泡沫铝夹芯结构、泡沫铝填充薄壁管结构、膨胀管式结构等。泡沫铝夹芯结构是由两层金属面板和中间泡沫铝芯体组成的复合结构，主要用于爆炸或冲击载荷防护。泡沫铝的强度一般比较低，实际使用的时候将泡沫铝作为夹芯结构的芯体，既充分发挥泡沫铝材料的缓冲吸能优势，又发挥金属面板的承载能力。2015年敬霖等在《力学与实践》杂志第37卷第1期发表论文《多孔金属及其夹芯结构力学性能的研究进展》，研究发现泡沫铝夹芯结构表现出轻质、强度高、刚度高、缓冲吸能效果好等特点，在结构抗冲击和爆炸防护等方面具有广阔的应用前景。泡沫铝材料作为芯体虽然有一定的吸能缓冲效果，但是可设计性差，因此可以考虑改进其芯体的密度分布，进一步提高泡沫金属夹芯结构的实用性。泡沫铝填充薄壁管可以有效避免泡沫铝在变形过程中可能出现的破碎现象，同时利用薄壁管的轴向屈曲变形和泡沫铝压溃实现缓冲吸能，达到良好的抗冲击的效果。2017年哈尔滨工业大学丁珂发表的硕士学位论文《冲击作用下铝基复合泡沫填充管动态力学及吸能性能研究》，研究发现泡沫铝填充薄壁管在轴向冲击作用下，承受平均压缩载荷变化很小，能够保持稳定载荷的条件下出现屈曲变形和叠缩。泡沫铝填充金属薄壁管在轴向受压的过程中，瞬态冲击载荷会产生一个初始峰值应力，初始应力峰值不利于缓冲防护。另外当薄壁管结构长度与直径的比值过大或者受到非轴向载荷时，易发生欧拉屈曲，严重降低吸能效率，还会导致整体失稳失效。膨胀管式结构由一个锥形管和一个胀管组成，若作用于锥形管能承受的压力超过设定的阈值(与胀管的结构、尺寸、材料等有关)，由于锥形管定径段的外径大于胀管的内径，锥形管在载荷的作用下逐渐插入胀管内部，胀管出现扩径变形，冲击载荷将转换为胀管材料的弹塑性变形能以及胀管和锥形管壁面之间的摩擦能，最终达到抗冲击的目的。2018年哈尔滨工业大学张晓龙发表硕士学位论文《膨胀管式吸能器吸能特性分析及应用研究》，研究发现膨胀管式结构是一种可靠的缓冲吸能结构，具有吸能行程长、稳定平稳的缓冲力等优点，同时对冲击载荷的方向性和冲击载荷的速度不敏感。膨胀管式结构简单、生产制造成本低，但其吸能容量比较小，不利于防护结构的轻量化和小型化，不适合用于小尺寸防护结构。2015年太原理工大学李世强发表博士学位论文《分层梯度多孔金属夹芯结构的冲击力学行为》，研究发现泡沫铝受到冲击时发生逐层压溃变形的现象，在冲击防护方面具有很深的发展潜力，梯度泡沫铝材料在泡沫铝材料的基础上做了优化匹配，更加适合防护结构缓冲吸能设计。梯度泡沫铝材料是指泡沫铝材料的密度分布沿厚度方向由一端向另一端呈逐渐增加或降低的趋势，从而使泡沫铝材料的力学特性也沿着厚度方向呈逐渐增加或降低的趋势。梯度泡沫铝材料可以应用在不同抗爆、抗冲击场景以满足特定的缓冲吸能需求。梯度泡沫铝材料由于材料分布不同，可设计性强，可以根据具体缓冲吸能需求进行设计。如何进一步提高军用装甲车防护结构的缓冲吸能性能，消除初始峰值应力，增加军用装甲车防护结构抗冲击过程的稳定性是本领域技术人员极为关注的技术问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，解决现有防护结构采用轻质缓冲吸能材料或结构时存在的一些问题，例如泡沫夹芯结构可设计性差，泡沫铝填充薄壁管易发生欧拉屈曲和存在明显的初始峰值应力，膨胀管式结构吸能容量比较小。本专利技术具有结构简单、成本低、可设计性强、无明显初始峰值应力、抗冲击性能优异等特点，用于可能遭受爆炸或高速冲击的军用装甲车防护领域，为冲击防护提供一种新的选择。本专利技术利用夹芯结构将冲击波能量转化为金属面板(上面板和下面板)塑性变形、金属薄壁管(驱动薄壁管和膨胀薄壁管)的径向塑性变形、驱动薄壁管的屈曲变形以及梯度缓冲芯体的压溃变形，发挥了各组成材料和结构的性能优势，扬长避短，使防护结构整体具备了结构和功能一体化的特点，对爆炸冲击波或冲击载荷能实现优异的缓冲吸能，达到很好的防护效果。本专利技术由N个缓冲吸能单元，上面板，下面板组成。沿着笛卡尔坐标系的x方向有n个缓冲吸能单元，n为正整数且n≥2，沿着笛卡尔坐标系的y方向有m个缓冲吸能单元，m为正整数且m≥2，且N＝m·n。上面板和下面板相互平行，间距为L0，根据防护需求确定，满足2cm<L0<50cm，N个缓冲吸能单元夹在上面板和下面板之间，N个缓冲吸能单元的中轴线OO’均垂直于上面板和下面板。N个缓冲吸能单元上端面平齐，盖有上面板，连接处粘接；N个缓冲吸能单元下端面平齐，由下面板密封，连接处粘接；N个缓冲吸能单元侧面相互贴合，连接处粘接。缓冲吸能单元为圆柱形，由驱动薄壁管、膨胀薄壁管和梯度缓冲芯体组成。缓冲吸能单元的动薄壁管上端面盖有上面板，缓冲吸能单元的膨胀薄壁管下端面由下面板密封。驱动薄壁管和膨胀薄壁管为圆筒形，梯度缓冲芯体为圆柱形。驱动薄壁管、膨胀薄壁管和梯度缓冲芯体的中轴线均重合于中轴线OO’。梯度缓冲芯体填充于驱动薄壁管的内腔。驱动薄壁管的小直径圆筒插入膨胀薄壁管，接触处采用粘接方式连接。驱动薄壁管为含空心圆台的圆筒。驱动薄壁管沿中轴线OO’分成大直径圆筒、空心圆台和小直径圆筒，总长度为L1，满足0.4L0<L1<0.7L0。大直径圆筒外直径为D1，满足0.5cm<D1<20cm，内直径为D2，满足0.85D1<D2<0.95D1，长度为l1，满足0.6L1<l1<0.9L1，壁厚δ1＝(D1-D2)/2。小直径圆筒外直径为D3，满足0.5D2<D3<0.9D2，内直径为D4，满足0.85D3<D4<0.95D3，长度为l3，满足0.05L1<l3<0.25L1，壁厚等于δ1。空心圆台处于大直径圆筒和小直径圆筒之间，空心圆台底部与大直径圆筒相连，底部外直径等于D1，底部内直径等于D2，空心圆台顶部与小直径圆筒相连，顶部外直径等于D3，顶部内直径等于D4。空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构由N个缓冲吸能单元(1)，上面板(2)，下面板(3)组成；沿着笛卡尔坐标系的x方向有n个缓冲吸能单元(1)，n为正整数，沿着笛卡尔坐标系的y方向有m个缓冲吸能单元(1)，m为正整数，且N＝m·n；上面板(2)和下面板(3)相互平行，间距为L

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构，其特征在于基于梯度泡沫铝填充膨胀薄壁管的夹芯防护结构由N个缓冲吸能单元(1)，上面板(2)，下面板(3)组成；沿着笛卡尔坐标系的x方向有n个缓冲吸能单元(1)，n为正整数，沿着笛卡尔坐标系的y方向有m个缓冲吸能单元(1)，m为正整数，且N＝m·n；上面板(2)和下面板(3)相互平行，间距为L0，N个缓冲吸能单元(1)夹在上面板(2)和下面板(3)之间，N个缓冲吸能单元(1)的中轴线OO’均垂直于上面板(2)和下面板(3)；N个缓冲吸能单元(1)上端面平齐，盖有上面板(2)，连接处粘接；N个缓冲吸能单元(1)下端面平齐，由下面板2密封，连接处粘接；N个缓冲吸能单元(1)侧面相互贴合，连接处粘接；
缓冲吸能单元(1)为圆柱形，由驱动薄壁管(11)、膨胀薄壁管(12)和梯度缓冲芯体(13)组成；缓冲吸能单元(1)的动薄壁管11上端面盖有上面板(2)，缓冲吸能单元(1)膨胀薄壁管(12)下端面由下面板2密封；驱动薄壁管(11)和膨胀薄壁管(12)为圆筒形，梯度缓冲芯体(13)为圆柱形；驱动薄壁管(11)、膨胀薄壁管(12)和梯度缓冲芯体(13)的中轴线均重合于中轴线OO’；梯度缓冲芯体(13)填充于驱动薄壁管(11)的内腔，驱动薄壁管(11)的小直径圆筒(113)插入膨胀薄壁管(12)，接触处采用粘接方式连接；
驱动薄壁管(11)为含空心圆台的圆筒，驱动薄壁管(11)沿中轴线OO’分成大直径圆筒(111)、空心圆台(112)和小直径圆筒(113)，总长度为L1；大直径圆筒(111)外直径为D1，内直径为D2，长度为l1，壁厚为δ1＝(D1-D2)/2；小直径圆筒(113)外直径为D3，内直径为D4，长度为l3；空心圆台(112)处于大直径圆筒(111)和小直径圆筒(113)之间，空心圆台(112)底部与大直径圆筒(111)相连，底部外直径等于D1，底部内直径等于D2，空心圆台(112)顶部与小直径圆筒(113)相连，顶部外直径等于D3，顶部内直径等于D4；空心圆台(112)长度为l2，空心圆台(112)的母线与中轴线OO’的夹角为θ；
膨胀薄壁管(12)为圆筒形，膨胀薄壁管(12)内直径等于D3，外直径为D5，壁厚δ2＝(D5-D3)/2；
梯度缓冲芯体(13)为含圆台的圆柱状，总长度等于L1，由低密度泡沫层(131)、中密度泡沫层(132)和高密度泡沫层(133)组成；低密度泡沫层(131)、中密度泡沫层(132)和高密度泡沫层(133)同轴装配，中密度泡沫层(132)位于低密度泡沫层(131)和高密度泡沫层(133)之间，端面采用胶水粘接；低密度泡沫层(131)为圆柱体，外直径等于D2，长度为l4；中密度泡沫层(132)为圆柱形，直径等于D2，长度为l5；高密度泡沫层(133)分为圆台形部分(1331)和圆柱形部分(1332)，圆台形部分(1331)在中密度泡沫层(132)和圆柱形部分(1332)之间；圆柱形部分(1332)直径等于D4，长度等于l3；圆台形部分(1331)与中密度泡沫层(132)相连的底面直径等于D2，圆台形部分(1331)与圆柱部分(1332)连接的顶面直径等于D4，圆台形部分长度等于l2，母线与中轴线的夹角等于θ；低密度泡沫层(131)、中密度泡沫层(132)和高密度泡沫层(133)的材料均为泡沫铝，满足ρ131<ρ132<ρ133；ρ131为低密度泡沫层(131)材料密度，ρ132为中密度泡沫层(132)材料密度，ρ133为高密度泡沫层(133)密度；
上面板(2)为长方...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁民族，李翔宇，林玉亮，张克钒，卢芳云，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43