一種利用材料極限特性的能量吸收裝置及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及吸能裝置領(lǐng)域，具體涉及一種利用材料極限特性的能量吸收裝置及其制作方法。該能量吸收裝置包括T型頭、吸能管以及底板，所述底板固定在需要保護的結(jié)構(gòu)上，所述吸能管的一端與底板連接，所述T型頭插入吸能管的另一端；T型頭由上、下圓柱體結(jié)構(gòu)組成，下部圓柱體的直徑小于上部圓柱體，上、下圓柱體通過圓弧面光滑連接；吸能管與T型頭接觸的一段為分瓣結(jié)構(gòu)，各分瓣部分緊貼T型頭的所述圓弧面，呈向外彎曲狀。本發(fā)明具有破壞模式穩(wěn)定，載荷平穩(wěn)性好，吸能效果好，制作工藝簡單，調(diào)節(jié)靈活以及空間利用率高等優(yōu)點。
【專利說明】一種利用材料極限特性的能量吸收裝置及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及吸能裝置領(lǐng)域，具體涉及一種利用材料極限特性的能量吸收裝置及其 制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 常見的吸能結(jié)構(gòu)有復(fù)合材料圓柱管，金屬圓柱管，泡沫鋁以及帽形結(jié)構(gòu)等，這些吸 能結(jié)構(gòu)都有各自的不足之處。復(fù)合材料圓柱管--破壞模式復(fù)雜多樣，可預(yù)見性差，同時 破壞過程伴隨有碎屑生成；金屬圓柱管--塑性的金屬圓柱管漸進壓潰過程中載荷波動過 大，脆性的金屬圓柱管載荷變化劇烈，能量吸收不易預(yù)見，并且有碎片崩射；泡沫鋁--塑 性泡沫鋁致密壓縮階段載荷升高過于迅速，脆性泡沫鋁壓縮過程中伴隨有碎屑脫離，載荷 隨胞體的斷裂而發(fā)生局部抖動；帽形結(jié)構(gòu)--單帽和雙帽結(jié)構(gòu)載荷平穩(wěn)性不好，帽形填充 結(jié)構(gòu)則加工難度大、成本高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種制作工藝簡單、載荷平穩(wěn)性和 吸能效果更好的能量吸收裝置及其制作方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種利用材料極限特性的能量吸收裝置，包括T型頭、吸 能管以及底板，所述底板固定在需要保護的結(jié)構(gòu)上，所述吸能管的一端與底板連接，所述T 型頭插入吸能管的另一端；T型頭由上、下圓柱體結(jié)構(gòu)組成，下部圓柱體的直徑小于上部圓 柱體，上、下圓柱體通過圓弧面光滑連接；吸能管與T型頭接觸的一段為分瓣結(jié)構(gòu)，各分瓣 部分緊貼T型頭的所述圓弧面，呈向外彎曲狀。
[0005] 進一步，如上所述的利用材料極限特性的能量吸收裝置，其中，所述吸能管的管壁 上沿軸向設(shè)置若干個缺口，所述缺口的位置與各分瓣部分的邊沿相對應(yīng)，從分瓣部分的邊 沿延伸至吸能管的底部。
[0006] 更進一步，所述的缺口在管壁上預(yù)置一定深度且不貫穿管壁，所述深度不超過1/3 管壁厚度。
[0007] 更進一步，所述的若干個缺口在管壁上均勻設(shè)置。
[0008] 進一步，如上所述的利用材料極限特性的能量吸收裝置，其中，
[0009] 吸能管材料硬度< T型頭、底板材料硬度；
[0010] 吸能管材料屈服強度< T型頭、底板材料屈服強度。
[0011] 一種上述利用材料極限特性的能量吸收裝置制造方法，包括：
[0012] 分別加工T型頭、吸能管以及底板，在所述吸能管管壁上沿軸向加工若干個缺口， 缺口的上部較短一段貫穿管壁，下部較長一段在管壁上預(yù)置一定深度且不貫穿管壁；
[0013] 將加工完成的吸能管底部焊接在底板上，將T型頭插入吸能管中，然后對T型頭施 加壓力；
[0014] 在T型頭被下壓的過程中，吸能管上部缺口貫穿管壁的一段被壓開并向外彎曲形 成分瓣結(jié)構(gòu)，當(dāng)各分瓣部分緊貼T型頭的圓弧面時，下壓結(jié)束，此狀態(tài)為該吸能裝置加工完 成后的成品狀態(tài)。
[0015] 本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明利用了彈塑性金屬材料在斷裂和塑性彎曲過程 中吸收能量的作用，Τ型頭在上部受到重物沖擊作用時，迫使Τ型頭圓弧面擠壓吸能管，吸 能管缺口處材料超出斷裂韌度，從而使得吸能管各分塊從各個預(yù)置缺口處均勻裂開，吸能 管各分塊裂開后在圓弧面持續(xù)擠壓下超過了材料的屈服極限，沿Τ型頭圓弧面發(fā)生塑性彎 曲。在整個壓縮的過程中，吸能管連續(xù)、均勻地發(fā)生斷裂和塑性彎曲，重物的沖擊能量被不 斷吸收，最終靜止在吸能結(jié)構(gòu)面。本發(fā)明提供的方法制作的壓縮型吸能結(jié)構(gòu)具有破壞模式 穩(wěn)定，載荷平穩(wěn)性好，吸能效果好，制作工藝簡單，調(diào)節(jié)靈活以及空間利用率高等優(yōu)點。此方 法也可用于設(shè)備上端防護結(jié)構(gòu)的制造。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為利用材料極限特性的能量吸收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為Τ型頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖3為吸能管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖4為吸能管管壁上缺口的橫截面示意圖；
[0020] 圖5-1、圖5-2為能量吸收裝置的制作成型過程示意圖；
[0021] 圖6為吸能管壓縮過程中裂開和彎曲的示意圖；
[0022] 圖7為吸能管壓縮過程中載荷隨時間變化曲線圖。

【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0024] 本發(fā)明所提供的利用材料極限特性的能量吸收裝置由Τ型頭1、吸能管2以及底 板3構(gòu)成，如圖1所示。Τ型頭1插入吸能管2中，使Τ型頭1和吸能管2緊密接觸。對Τ 型頭1施加一定的壓力，使吸能管2上端各分塊向外形成一定的彎曲量。底板3與吸能管 2相連接，用于將能量吸收裝置固定在需要保護的結(jié)構(gòu)上。
[0025] Τ型頭的結(jié)構(gòu)如圖2所示，Τ型頭上下部分均為圓柱體，下部圓柱體12直徑小于上 部圓柱體11，兩個圓柱體通過圓弧面13光滑連接。Τ型頭在受到壓力作用時，圓弧面13將 擠壓吸能管2,使之向外彎曲。在整個壓縮的過程中，載荷的大小與圓弧的半徑大小有關(guān)，半 徑越大，載荷越小。
[0026] 吸能管2的結(jié)構(gòu)如圖3所示，吸能管2的圓周上均勻布置若干個缺口 21，缺口的上 部一段貫穿管壁，但長度比較短，從其下端至吸能管底部預(yù)置了一定深度缺口且不貫穿管 壁，所述深度不超過1/3管壁厚度，此部分缺口的橫截面可以為三角形，如圖4局部放大圖 所示。這種缺口能夠保證吸能管2在受壓時，在缺口尖端形成應(yīng)力集中，使裂紋的擴展方向 沿著缺口往下擴展。為滿足不同的載荷要求，吸能管有多個參數(shù)可以靈活地調(diào)節(jié)，包括吸能 管的長度、管壁的厚度以及上部一段的分塊數(shù)。長度越長吸收的能量越多，厚度越大載荷越 大，分塊數(shù)越多載荷越小。
[0027] 本發(fā)明所提供的利用材料極限特性的能量吸收裝置制造方法如下：
[0028] 將加工完成吸能管焊接在底板上，Τ型頭插入吸能管中，然后通過試驗機壓Τ型 頭，如圖5-1所示。下壓過程中吸能管的各分塊向外彎曲，試驗機下壓一定距離后，各分塊 彎曲到指定位置并緊貼T型頭的圓弧面，如圖5-2所示，這就是成型的壓縮型吸能裝置。將 成型的壓縮型吸能裝置固定在需要保護的結(jié)構(gòu)上面即可起到吸能防護的作用。
[0029] 從材料的使用上考慮，T型頭與吸能管的材料力學(xué)性能要有一定的匹配關(guān)系，材料 的優(yōu)選方案如下：
[0030] 吸能管材料硬度< T型頭、底板材料硬度；
[0031] 吸能管材料屈服強度< T型頭、底板材料屈服強度。
[0032] 本發(fā)明的基本原理是利用了彈塑性金屬材料在斷裂和塑性彎曲過程中吸收能量 的作用。T型頭在上部受到重物沖擊作用時，迫使T型頭圓弧面擠壓吸能管，吸能管材料超 出斷裂韌度，從而使得吸能管各分塊從各個預(yù)置缺口處裂開，吸能管各分塊裂開后在圓弧 面持續(xù)擠壓下超過了材料的屈服極限，發(fā)生塑性彎曲。在整個壓縮的過程中，吸能管連續(xù)地 發(fā)生開裂和塑性彎曲，重物沖擊的動能被不斷吸收，最終靜止在吸能結(jié)構(gòu)面。
[0033] 由于T型頭具有圓弧面的特征，擠壓吸能管之后使吸能管向外彎曲，超過屈服極 限之后，沿T型頭圓弧面出現(xiàn)塑性彎曲，塑性彎曲就要吸收能量，從而減輕重物的沖擊作 用，如圖6所示。
[0034] 由于吸能管預(yù)置了若干個缺口，在受到擠壓之后，吸能管將從各個缺口處裂開，在 裂開過程中也要吸收能量，能夠進一步地減輕重物的沖擊作用，如圖6所示。
[0035] 吸能管的塑性彎曲和開裂同時持續(xù)發(fā)生，能保證壓縮過程中載荷的平穩(wěn)性，使得 沖擊T型頭重物的能量能夠平穩(wěn)地耗散，減少了轉(zhuǎn)移到被保護結(jié)構(gòu)上的能量，能夠有效的 保護結(jié)構(gòu)不被破壞。圖7中〇?h時間內(nèi)所對應(yīng)的為吸能管結(jié)構(gòu)加工成型過程中的載荷變 化曲線，在此過程中，T型頭擠壓吸能管，使其出現(xiàn)彎曲并緊貼吸能管的，引起載荷變化的主 要原因為吸能管分塊的彎曲時間內(nèi)所對應(yīng)的為吸能管結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中受壓過程 的載荷變化曲線，載荷從零迅速線性增加到一個穩(wěn)定值，而不再經(jīng)歷〇?h的過程，隨著吸 能管壓縮過程中持續(xù)地發(fā)生裂開和彎曲，載荷在此過程中保持穩(wěn)定，能夠有效地吸收能量， 保護結(jié)構(gòu)。
[0036] 實施例
[0037] 下面提供一個本發(fā)明的具體實施例，其中的材料和尺寸的選取不具有限定性，本 領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以根據(jù)實際情況對這種能量吸收裝置進行符合要求的專門設(shè)計。
[0038] 1)材料：
[0039] 吸能管一304L屈服強度205MPa抗拉強度520MPa ;
[0040] T型頭及底板一42CrMoA屈服強度780MPa抗拉強度980MPa。
[0041] 2)結(jié)構(gòu)：
[0042] 吸能管外徑219mm，壁厚12mm，高度356mm ;
[0043] 吸能管預(yù)置開槽數(shù)6,預(yù)置開裂長度50mm ;
[0044] T型頭倒角半徑50mm，預(yù)壓入吸能管80mm。
[0045] 3)性能：
[0046] 吸能結(jié)構(gòu)有效吸能位移145mm ;
[0047] 吸能結(jié)構(gòu)抗沖擊載荷120t±20t ;
[0048] 吸能結(jié)構(gòu)有效行程內(nèi)的最大吸收能量為192KJ。
[0049] 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精 神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范 圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種利用材料極限特性的能量吸收裝置，其特征在于：包括T型頭（1)、吸能管（2) 以及底板（3)，所述底板（3)固定在需要保護的結(jié)構(gòu)上，所述吸能管（2)的一端與底板（3) 連接，所述Τ型頭（1)插入吸能管（2)的另一端；Τ型頭（1)由上、下圓柱體結(jié)構(gòu)組成，下部 圓柱體（12)的直徑小于上部圓柱體（11)，上、下圓柱體通過圓弧面（13)光滑連接；吸能管 (2)與Τ型頭（1)接觸的一段為分瓣結(jié)構(gòu)，各分瓣部分緊貼Τ型頭（1)的所述圓弧面（13)， 呈向外彎曲狀。
2. 如權(quán)利要求1所述的利用材料極限特性的能量吸收裝置，其特征在于：所述吸能管 (2)的管壁上沿軸向設(shè)置若干個缺口（21)，所述缺口（21)的位置與各分瓣部分的邊沿相對 應(yīng)，從分瓣部分的邊沿延伸至吸能管（2)的底部。
3. 如權(quán)利要求2所述的利用材料極限特性的能量吸收裝置，其特征在于：所述缺口 (21)在管壁上預(yù)置一定深度且不貫穿管壁，所述深度不超過1/3管壁厚度。
4. 如權(quán)利要求2所述的利用材料極限特性的能量吸收裝置，其特征在于：所述的若干 個缺口（21)在管壁上均勻設(shè)置。
5. 如權(quán)利要求1所述的利用材料極限特性的能量吸收裝置，其特征在于： 吸能管材料硬度< Τ型頭、底板材料硬度； 吸能管材料屈服強度< Τ型頭、底板材料屈服強度。
6. -種權(quán)利要求1-5中任意一項所述的利用材料極限特性的能量吸收裝置的制作方 法，包括： 分別加工Τ型頭（1)、吸能管（2)以及底板（3)，在所述吸能管（2)管壁上沿軸向加工 若干個缺口（21)，缺口（21)的上部較短一段貫穿管壁，下部較長一段在管壁上預(yù)置一定深 度且不貫穿管壁； 將加工完成的吸能管（2)底部焊接在底板（3)上，將Τ型頭（1)插入吸能管（2)中，然 后對Τ型頭（1)施加壓力； 在Τ型頭（1)被下壓的過程中，吸能管（2)上部缺口貫穿管壁的一段被壓開并向外彎 曲形成分瓣結(jié)構(gòu)，當(dāng)各分瓣部分緊貼Τ型頭（1)的圓弧面（13)時，下壓結(jié)束，此狀態(tài)為該吸 能裝置加工完成后的成品狀態(tài)。
【文檔編號】F16F7/12GK104088947SQ201410250527
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】盛鋒, 劉樹斌, 張雙旺, 徐國飛, 王元珠, 于鳳云, 王付軍 申請人:中國核電工程有限公司