一种适用于有限空间的高过载缓冲装置及设计方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及高冲击缓冲防护技术，具体公开了一种适用于有限空间的高过载缓冲装置及设计方法，包括开口薄壁管、缓冲平台和搭载结构，所述的搭载结构上设置有安装腔，所述的开口薄壁管设置在所述安装腔内，所述的缓冲平台设置在所述开口薄壁管内。本发明专利技术的优点是开口薄壁管扩径缓冲时，扩径后占据的有效空间分布在径向而非管轴向，开口薄壁管小直段全长参与缓冲，占据的有效空间小，适用于有限空间。适用于有限空间。适用于有限空间。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于有限空间的高过载缓冲装置及设计方法


[0001]本专利技术涉及高冲击缓冲防护
，特别是一种适用于有限空间的高过载缓冲装置及设计方法。

技术介绍

[0002]在结构整体过载幅值104g量级、持续时长2ms～10ms的冲击场景下，结构内部精密易损部件承受冲击过载的能力有限，如极限过载在103g以下，需要保证其在冲击过程中2ms或更长时间的有效生存，并发挥正常功能。为此，必须研究在结构内部有限空间内高过载环境下精密易损部件的缓冲防护措施。
[0003]目前国内外常用的缓冲防护措施有多孔泡沫材料压缩缓冲，圆/方形等各型截面形状的薄壁管端面压缩、薄板弯折、负泊松比折纸结构压缩等结构件压缩破坏缓冲等。针对高过载环境中承载结构有限空间内精密易损目标的缓冲防护应用，常见缓冲方式主要有三方面缺点：
[0004](1)未考察缓冲结构自身对高过载环境的适用性。在高过载环境下缓冲结构自身可能坍塌，削弱甚至完全丧失缓冲能力，如低强度泡沫材料等。
[0005](2)有效空间利用率低。缓冲后缓冲结构将占据大量的沿承载结构运动方向的空间，如泡沫材料压缩后最小体积高达原体积的40％，缓冲结构压缩破坏后将占据大量的有效空间，缓冲后结构将阻止缓冲防护目标的进一步运动。
[0006](3)缓冲支反力不平稳。无论是泡沫类材料还是结构件压缩破坏，将涉及材料大变形甚至破坏，包含结构屈曲、失稳等问题，诱发缓冲支反力振荡，不利于有限空间的高效利用。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种适用于有限空间的高过载缓冲装置及设计方法，在幅值104g量级，持续时长2ms～10ms的整体冲击高过载环境中，在结构内部有限空间内，保证极限承载能力在103g以下的弹载精密易损部件在2ms及更长时间内的有效生存与功能实现。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种适用于有限空间的高过载缓冲装置，包括开口薄壁管、缓冲平台和搭载结构，所述的搭载结构上设置有安装腔，所述的开口薄壁管设置在所述安装腔内，所述的缓冲平台设置在所述开口薄壁管内。
[0009]具体的，所述的开口薄壁管包括大径段、锥段和小径段，所述的大径段与小径段通过锥段连接，所述的缓冲平台的上端为圆柱段，下端为锥形段，所述的缓冲平台的圆柱段和锥形段分别与开口薄壁管的大径段和锥段内壁贴合。
[0010]具体的，所述的安装腔为阶梯孔，所述的大径段一端设置有连接环，所述连接环连接在安装腔的台阶上。
[0011]具体的，所述的开口薄壁管内壁及缓冲平台的外壁上均匀涂抹界面润滑剂。
[0012]具体的，所述的锥段的半锥角的角度≤15
°
。
[0013]一种适用于有限空间的高过载缓冲装置设计方法，包括以下步骤：
[0014]S1、依据缓冲防护目标的过载幅值需求，确定开口薄壁管扩径的支反力F1需求范围；
[0015]S2、确定开口薄壁管中锥段的关键几何参数范围：开口薄壁管的壁厚δ要求满足薄壁要求，即δ≤0.1R1，其中，R1为开口薄壁管大直径段内孔半径，开口薄壁管中锥段的半锥角α要求满足α≤15
°
；
[0016]S3、依据开口薄壁管的支反力需求，确定开口薄壁管的关键参数的关系，开口薄壁管的支反力可表示为：
[0017][0018]其中，B＝2.3π
·
σ2·
(R2+δ2)
·
δ，支反力是开口薄壁管的大径段内孔半径R1、小径段的内孔半径R2、开口薄壁管的壁厚δ、锥段的半锥角α，缓冲平台半径为R1的圆柱段长度l以及缓冲平台与开口薄壁管的界面动摩擦系数η的函数，开口薄壁管材料的强度σ2计及薄壁管扩径时的应变硬化与应变率强化效应，具体函数形式通过开口薄壁管材料的动态力学性能试验确定；针对缓冲防护目标的实际尺寸，结合步骤S1确定的支反力需求，在步骤S2的参数约束下，确定缓冲装置关键参数的多种组合；
[0019]S4、高过载环境下开口薄壁管结构强度设计：搭载结构的高过载通过搭载结构的台阶传递给开口薄壁管，开口薄壁管的结构强度设计联合考虑搭载结构高过载及缓冲扩径过程的影响，考虑强度设计裕量；在步骤S3设计的多组参数组合中，确定同时满足强度设计的参数组合，维持缓冲装置高过载环境服役的结构稳定性；
[0020]S5、确定开口薄壁管中小直径段的长度L：开口薄壁管中小直径段的长度L决定开口薄壁管缓冲的总时长，即缓冲有效时间T，其要求满足以下关系：
[0021][0022]式中，v1为缓冲平台沿开口薄壁管轴向的运动速度；v2为搭载结构沿开口薄壁管轴向的运动速度；
[0023]S6、评估缓冲装置缓冲完成后占据的体积增加量：开口薄壁管扩径缓冲完成后，整个缓冲装置占据的体积较缓冲前装置占据的体积增加量由下式确定：
[0024]ΔV＝πL[(R1+δ)2‑
(R2+δ)2]+πcotα(R1‑
R2)(R1+δ)2[0025]式中，L为开口薄壁管中小直径段的长度，R1为开口薄壁管大直径段内孔半径，R2为小直径段的内孔半径，δ为开口薄壁管的壁厚，α为锥段的半锥角；
[0026]S7、数值模拟评估缓冲装置的缓冲效能与设计的预期是否符合：依据步骤S1至S6，确定缓冲装置的关键几何参数与界面动摩擦系数，建立缓冲装置全尺寸的缓冲模型，开展缓冲过程的数值模拟，提取开口薄壁管与缓冲平台的接触力，评估其与缓冲后过载设计值的符合程度，如有较大偏差，将依据数值模拟结果对缓冲装置的结构参数进行修正。
[0027]本专利技术具有以下优点：
[0028]1、适应高过载环境。在薄壁管强度设计中联合考虑高过载环境与扩径过程的影响，维持缓冲结构自身在高过载环境中的结构稳定性与缓冲有效性，设计结构适用于高过载环境。
[0029]2.结构形式简单，缓冲后过载幅值易调控。本专利技术的适用于有限空间的高过载缓冲装置的关键核心部件是开口薄壁管，其结构形式简单，由4个独立的几何参数决定其缓冲段几何形状，包括：壁厚、大径段直径、小径段的直径与长度。通过改变4个独立的几何参数、材料类型，调控缓冲后过载幅值、持续时长。实现搭载结构内精密易损部件过载降低至103g以下、持续时间2ms以上的缓冲防护目标。
[0030]3.缓冲后过载平稳。通过开口薄壁管扩径实现缓冲，扩径过程中，薄壁管发生有限且均匀恒定的塑性变形，支反力平稳，提供的缓冲后过载平稳。
[0031]4.占据的有效空间小，适用于有限空间。开口薄壁管扩径缓冲时，扩径后占据的有效空间分布在径向而非管轴向，开口薄壁管小直段全长参与缓冲，占据的有效空间小，适用于有限空间。
[0032]5.广泛适用于高过载冲击场景。缓冲装置可应用于侵彻过载中弹载精密易损部件的防护，也可推广使用于其它高过载环境中搭载结构目标内薄弱核心部件的防护，其它高冲击环境包括：高速撞击、爆炸加载等。
附图说明
[0033]图1为本专利技术的缓冲装置结构示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于有限空间的高过载缓冲装置，所述缓冲装置设置在搭载结构(1)上，其特征在于：所述缓冲装置包括开口薄壁管(2)、缓冲平台(4)，所述的搭载结构(1)上设置有安装腔(3)，所述的开口薄壁管(2)设置在所述安装腔(3)内，所述的缓冲平台(4)设置在所述开口薄壁管(2)内。2.根据权利要求1所述的一种适用于有限空间的高过载缓冲装置，其特征在于：所述的开口薄壁管(2)包括大径段(23)、锥段(22)和小径段(21)，所述的大径段(23)与小径段(21)通过锥段(22)连接，所述的缓冲平台(4)的上端为圆柱段(41)，下端为锥形段(42)，所述的缓冲平台(4)的圆柱段(41)和锥形段(42)分别与开口薄壁管(2)的大径段(23)和锥段(22)内壁贴合。3.根据权利要求2所述的一种适用于有限空间的高过载缓冲装置，其特征在于：所述的安装腔(3)为阶梯孔，所述大径段(23)一端设置有连接环(24)，所述连接环(24)连接在安装腔(3)的台阶上。4.根据权利要求2所述的一种适用于有限空间的高过载缓冲装置，其特征在于：所述的开口薄壁管(2)内壁及缓冲平台(4)的外壁上均匀涂抹界面润滑剂。5.根据权利要求2所述的一种适用于有限空间的高过载缓冲装置，其特征在于：所述锥段(22)的半锥角的角度≤15
°
。6.一种适用于有限空间的高过载缓冲装置设计方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、依据缓冲防护目标的过载幅值需求，确定开口薄壁管(2)扩径的支反力F1需求范围；S2、确定开口薄壁管(2)中锥段(22)的关键几何参数范围：开口薄壁管(2)的壁厚δ要求满足薄壁要求，即δ≤0.1R1，其中，R1为开口薄壁管(2)大径段(23)内孔半径，开口薄壁管(2)中锥段(22)的半锥角α要求满足α≤15
°
；S3、依据开口薄壁管(2)的支反力需求，确定开口薄壁管(2)的关键参数的关系，开口薄壁管(2)的支反力可表示为：其中，B＝2.3π
·
σ2·
(R2+δ/2)
·
δ，支反力是开口薄壁管(2)的大径段(23)内孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：何丽灵，陈新发，陈刚，万强，张荣，郭虎，陈军红，刘波，陈红永，黄鑫，尹昊，钟卫洲，牛伟，胡杰，周继昆，张斌，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院总体工程研究所，
类型：发明
国别省市：