一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统的制作方法

1.本实用新型涉及薄壁管吸能系统的技术领域，更确切地说，是涉及一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统，该吸能系统可应用于航空航天、船舶、汽车等交通运输以及重要设施需要抵抗冲击减震的防护系统中。


背景技术：

2.近年来，随着我国交通运输和工程建设等领域蓬勃发展，冲撞与爆炸事故也频繁发生，生命安全和财产都遭到了巨大的损害。因此，为了应对紧急冲撞和爆炸事故，设计一种吸能效率高、吸能稳定性好、拆装便利的能量吸收系统具有重要意义，目前有许多研究人员进行能量吸收系统的研究。
3.金属薄壁管由于其重量轻、加工工艺简单、成本低廉等特点，被广泛应用于吸能装置。同时，金属薄壁管具有相对密度小、刚度低，且冲击作用下变形强等优点，被广泛应用于防撞、抗冲击领域。但考虑到复杂工况下，传统结构已无法满足大型工程领域缓冲装置的配置需求，因此，研究不同截面形状的金属薄壁管组合结构吸能效率具有重大的意义。
4.传统的能量吸收装置常使用圆管、圆环、方管等，因其加工简单，成本较低并能提供较长的受压行程。然而，传统的组合结构在冲击作用下会发生侧向飞溅，不仅会造成二次损伤，还有吸能不稳定、吸能效率低等缺陷，不能起到很好的安全防护效果。为了弥补这些缺陷，工程中常采用的措施有：一、在吸能系统边界设置约束挡板防止管件侧向飞溅；二、各管件之间设置机械连接件或将管件焊接连接，约束组合结构的横向位移。但以上措施都需要较长的时间拼装能量吸收装置，应对突发情况不理想。同时，冲撞事故也具有不可预测性，若事故未如预期发生，刚性连接的管件无法拆卸再利用，增加了拆装过程中人力物力的消耗，以及降低材料利用率，大大增加了防护系统的成本。为了解决传统薄壁圆管吸能系统的缺陷，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，受冲击圆管不会侧向飞溅，但是管件受压行程较短。
5.所以，设计一种吸能稳定性好、吸能效率高、拆装便利的能量吸收系统，对于提高材料利用率、降低防护系统成本、抵抗复杂工况下的冲撞以及降低生命财产损失有着重要的价值。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统，该吸能系统为易于拆装、经济实用的能量吸收系统，为抵抗冲击碰撞爆炸的防护系统提供更为方便、快捷、经济、安全的保障。
7.本实用新型的实施例可以这样实现：
8.本实用新型的实施例提供一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统，其特征在于：每个双叉戟状薄壁管分结构由三个齿状主体管连接三块平行薄板组成，每个齿状主体管的截面形状为两平行直线通过圆心角为180
°
圆弧连接而成，并且每个齿状主体管宽度
相等，下方的齿状主体管比上方的齿状主体管略长一些，整个分结构沿中心轴左右对称，两个齿状主体管向上为薄壁管分结构正向放置，反之为反向放置，若干个双叉戟状薄壁管结构以一正一反的排列方式实现系统的横向扩展，其余各层之间都按此嵌合方式，实现吸能系统纵向扩展，组成的多排多列组合结构，实现组合薄壁管结构在冲击过程中能够达到结构间自锁定的效果；
9.所述的薄壁管分结构横截面为双叉戟型，且主体管1、2与主体管3间的距离h与齿状主体管单元宽度d满足h/d＝1/4～3/4；
10.所述的薄壁管分结构两主体管1、2间的轴心距w与主体管3的中心轴距c满足w＝2c；
11.所述的薄壁管分结构主体管1、2的长度a与主体管3的长度b满足b＝a h；
12.所述的薄壁管分结构的轴向长度l与两主体管1、2之间的轴心距w满足l≥2w；
13.所述的薄壁管分结构的齿状主体管圆角半径r与薄壁管的厚度t满足r/t≥10。
14.进一步的，双叉戟状薄壁管依次正反交错排列组成，无需设置外部约束装置或在薄壁管分结构之间设置连接件，即可排列组成吸能系统。
15.进一步的，吸能系统组装过程中，只需保证齿状主体管竖向放置，正反放置顺序可交换。
16.本实用新型的原理在于：
17.一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统，为金属材料制成薄壁管结构，组合结构由若干个双叉戟状薄壁管依次正反交错排列组成，双叉戟状薄壁管的形状比例和组合方式使相邻两排、两列结构在纵向或横向冲击过程中达到自锁定的效果。
18.本实用新型的有益效果为：
19.1、本实用新型一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统，在承受纵向或横向冲击过程中可实现自锁定，即无需在垂直于冲击方向设置约束边界挡板或在相邻管件间设置连接件，满足防护系统的安全、经济、适用等特性的综合要求。
20.2、本实用新型一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统，组合结构形式简单，安装无技术难度，拆装便利，无需设置定位装置，紧急情况下可快速完成组装。
21.3、本实用新型一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统，由若干个双叉戟状薄壁管分结构组成，可根据冲击物的能量及场地等实际情况要求增减薄壁管分结构的个数，灵活调整吸能系统的规格尺寸。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。
23.图1为本实用新型所涉及的组合结构示意图。
24.图2为本实用新型所涉及的组合结构横截面示意图。
25.图3为本实用新型所涉及的双叉戟状薄壁管分结构示意图。
26.图4为本实用新型所涉及的双叉戟状薄壁管分结构横截面示意图。
27.图5为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中组合结构纵向承载变形的示意图。
28.图6为本实用新型所涉及的实施例数值模拟中组合结构纵向承载下的力—位移曲线的示意图。
29.图3中：1.第一齿状主体管；2.第二齿状主体管；3.第三齿状主体管。
具体实施方式
30.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
31.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
33.在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
34.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。
36.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明：
37.本实用新型一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统，如图1所示，整体为金属材料制成的若干个双叉戟状薄壁管正反交错排列而成的组合结构。
38.为达到预期的自锁效果，所述双叉戟状薄壁管按上下层拼装，如图2所示，齿状主体管1、2朝向向上为正向，若干个薄壁管分结构以正反交替排列实现组合结构的横向扩展，此处正反向放置的先后顺序可交换。其余各层之间都按此嵌合方式，实现吸能系统纵向扩展。
39.为达到预期的自锁效果，薄壁管分结构尺寸可根据实际需要在比例范围内自由调整，如图3、图4所示，应满足薄壁管分结构中主体管1、2与主体管3间的距离h与齿状主体管单元宽度d满足h/d＝1/4～3/4；两主体管1、2间的轴心距w与主体管3的中心轴距c满足w＝2c；薄壁管分结构主体管1、2的长度a与主体管3的长度b满足b＝a h；薄壁管分结构的轴向长度l与两主体管1、2之间的轴心距w满足l≥2w；薄壁管分结构的齿状主体管圆角半径r与薄壁管的厚度t满足r/t≥10。
40.为达到预期的自锁效果，所述双叉戟状薄壁管分结构拼装自锁吸能系统时，只需满足齿状主体管纵向放置，分结构按照一正一反放置顺序，组成多排多列结构，即可实现在
纵向或横向冲击作用下结构间自锁定效果。
41.实施例：
42.通过仿真模拟计算一种双叉戟状薄壁管结构易组装自锁吸能系统纵向荷载下吸能效果。通过将54个双叉戟状薄壁管拼装成9列6排的吸能系统。单个分结构参数如下：齿状主体管1、2长度为a＝15mm，齿状主体管3长度为b＝20mm，宽度d＝20mm，圆角半径r＝10mm，上部主体管与下部主体管间距离h＝5mm，两主体管之间的轴心距w＝80mm，中心轴距c＝40mm,厚度t＝0.5mm，轴向长度l＝200mm。吸能系统下方设置一施加固定约束的刚性板，系统上方设置一刚性板来辅助完成冲压载荷模拟，加载方式为上板沿轴线对吸能系统施加载荷，上板的速度为v＝18m/s,质量为m＝180kg。可计算出总冲击能量e＝1/2mv2＝1/2
×
180
×
182＝2.916
×
104j。吸能系统纵向承载下变形如图5所示。
43.采用abaqus/explicit进行动态模拟。模拟计算的力-位移曲线如图6所示，其中横坐标u表示荷载板的压缩位移，h表示吸能系统受冲压作用前的高度，u/h为坐标无单位化。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，参照图6得知该系统可以平稳持续吸收能量，而且并未发生飞溅。
44.本实用新型未尽事宜为公知技术。
45.上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。