一种带窗式薄壁方管吸能装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种带窗式薄壁方管吸能装置，其特征在于，该吸能装置为一薄壁方管，其沿轴向设有N层带窗模块，每层带窗模块四面均开一列或多列槽口，带窗模块数N取值在4至8之间，槽口形状可为三角形、四边形或六边形，所述薄壁方管长度L为150-200mm，壁厚d为0.5-5mm，截面边长c为40-70mm。相比于普通无窗式薄壁管件，本发明的明显特征是人为的确定薄壁管件轴向叠缩次数及叠缩位置，其效果和益处是实现了碰撞装置同时满足高比吸能率及低荷载均匀性系数的要求，本发明结构简单、性能稳定、加工简便、不易失效。
【专利说明】一种带窗式薄壁方管吸能装置
【技术领域】
[0001]本发明属于车身结构制造【技术领域】，涉及一种安全保护装置，尤其涉及一种定向导弓I叠缩变形的轻量化吸能装置。
【背景技术】
[0002]吸能装置的关键特性是在吸收大量冲击能后，传递给受保护物的应力小于其破坏应力，从而使受保护物免遭破坏，薄壁金属管作为一种低成本、高吸能的构件，广泛应用于汽车、轮船和飞机等几乎所有交通工具的碰撞动能耗散系统中。金属薄壁管主要是通过塑性变形来耗散车辆碰撞中的冲击动能；而且，薄壁金属管轴向变形所储存的能量大约要比横向高一个数量级，因此研究薄壁管在轴向载荷作用下的动态吸能特性是结构耐撞性领域的重要课题。单一的薄壁管依靠不可逆的塑性屈曲吸收能量，是传统的吸能结构，也是应用最广泛的缓冲吸能结构之一。从塑性铰的变形机理和吸能特性等方面考虑，可将轴向载荷作用下的薄壁金属管构件的变形模式分为三类:(I)渐进叠缩变形模式，又称“折叠式”变形，塑性铰从结构一端有序地逐一形成，是吸能结构的最佳变形模式；(2)Euler变形模式，其初始变形受横向弯曲变形的控制，第一个塑性铰一般发生在构件中部，随后产生大的横向位移，是一种吸能效率很低的变形模式，进行耐撞性设计时应尽量避免吸能件发生这种变形；(3)混合变形模式，其主要特点是变形初始阶段发生渐进叠缩变形，形成一个或多个塑性铰，随后转变为Euler变形，是一种发生概率较高的变形模式。大量研究表明，经过合理的设计，单一的薄壁管结构具有可控制的破坏模式，较平稳的压缩载荷，是优异的缓冲吸能元件。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是合理的设计出一类具有可控变形模式的薄壁管，同时进行轻量化设计，克服现有技术的不足，提供一种适应多种复杂工况、载荷冲击平稳、高比吸能率、便于生产应用的轻量化吸能装置。这种吸能装置主要用于交通工具中，便于在发生交通事故冲击碰撞时进行吸能，保护乘员及货物安全。
[0004]本发明技术方案是提供一种带窗式薄壁方管吸能装置，其特征在于，该吸能装置为一薄壁方管，其沿轴向设有N层带窗模块，每层带窗模块四面均开一列或多列槽口，带窗模块数N取值在4至8之间，槽口形状可为三角形、四边形或六边形，所述薄壁方管长度L为 150-200mm，壁厚 d 为 0.5_5mm，截面边长 c 为 40_70mm。
[0005]进一步地，所述薄壁方管开设矩形槽口，槽口长a为20mm，高b为30mm，距两侧距离e为5mm，单层带窗模块高度H为40mm。
[0006]进一步地，当槽口形状为四边形时，该四边形包括正方形、矩形、菱形或梯形。
[0007]进一步地，其中当槽口形状为四边形时，所述薄壁方管四面开有边长逐渐变小的方形槽口，其边长按函数f (X) = (9-x) a/8变化，其中a为一层模块槽口边长，x为所在模块的层数。[0008]进一步地，每层带窗模块四面均开有两列槽口，薄壁方管内壁垂直焊接上带窗式薄板，所述带窗式薄板长度与薄壁方管长度相同，带窗式薄板上开设槽口形状可为三角形、四边形或六边形。
[0009]进一步地，，两块带窗式薄板相互垂直的设置，并将它们整体焊接于薄壁方管内壁，使整个吸能装置截面形状呈“田”字形。
[0010]进一步地，每层带窗模块四面均开有两列槽口，薄壁方管内加装另一内置薄壁带窗方管，二者通过焊接固结，且薄壁带窗方管各面外法向与薄壁方管对应各面外法向相差45。。
[0011]进一步地，薄壁带窗方管各面开设有单列矩形槽口，薄壁方管开有两列矩形槽口，二者槽口模块数相同。
[0012]进一步地，该吸能装置用于交通工具中。
[0013]本发明的有益效果是:
[0014]1、薄壁方管壁面上开有槽口，使薄壁方管沿轴向强度大小分布不同，变形模式可控；
[0015]2、由于将变形很小吸能量低的位置开设槽口，使得本装置的整体质量大大降低，比吸能率大大提升；
[0016]3、本发明所采用的轴向加固方式有利于应对倾斜载荷的冲击；
[0017]4、本发明结构简单，便于制造，成本低廉，安全可靠。
[0018]5、薄壁方管内壁垂直焊接上带窗式薄板，使整个装置截面形状呈“田”字形，此种方式可以大大增强整个装置的抗冲击强度，且达到轻量化的目的，适用于应对冲击能量大的工况。
[0019]6、本发明提出了薄壁方管内加装另一薄壁带窗方管的方式，此类方式极大增强了吸能装置的吸能效率，并且其横截面上形成框架结构，结构的稳定性增强，另外，在加工制造上，相对简单灵活。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本带窗式吸能装置的结构示意图；
[0021]图2为槽口形状为菱形的薄壁方管结构示意图；
[0022]图3为长度逐渐减小，宽度不变的矩形槽口薄壁方管结构示意图；
[0023]图4为帯窗式薄壁方管变形叠缩吸能过程图；
[0024]图5为“田”字形截面的帯窗式吸能装置结构示意图；
[0025]图6为内外薄壁方管固结的帯窗式吸能装置结构示意图；
[0026]图7为薄壁方管焊接方式一；
[0027]图8为薄壁方管焊接方式二。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图1-8和具体实施例对本发明作详细说明。
[0029]如图1所示，本发明吸能装置的横截面形式为该帯窗式吸能装置为一薄壁方管，其沿轴向有N层带窗模块，N取值在4至8之间，每层带窗模块四面均开有槽口，槽口位置居于各面对中线上。槽口形状可为三角形、四边形或六边形，四边形包括正方形、矩形、菱形或梯形，槽口大小根据具体设计尺寸、材料及承受载荷大小、方向等参数取定。当结构受到碰撞冲击时，所开槽口处强度较低，将引导薄壁方管在槽口处发生叠缩变形。
[0030]为避免本发明装置工作时薄壁方管因强度原因发生轴向失稳或者吸能不足，有多种方案可对薄壁方管做一些强度变化处理，作为优选，有以下3种具体方式:
[0031](I)如图2所示，薄壁方管四面开设长度逐渐变小的矩形槽口，其边长按函数f (X) = (9-x) a/8变化，其中a为一层模块槽口长，X为所在模块的层数，此函数从结构轴向强度及轻量化两方面考虑，使整个冲击过程中装置的抗冲击强度逐渐增强，符合能量吸收曲线，吸能平稳、均匀高效；
[0032]( 2 )薄壁方管内壁垂直焊接上带窗式薄板，使整个装置截面形状呈“田”字形，所述带窗式薄板长度与薄壁方管长度相同，厚度不大于薄壁方管厚度，其上所开设槽口形状可为三角形、四边形或六边形，四边形包括正方形、矩形、菱形和梯形，带窗式薄板焊接在薄壁方管各面对中位置，薄壁方管各面分别开设两列若干层模块的槽口，如图3所示，图中薄壁方管及帯窗式薄板上均开有5模块数矩形槽口；
[0033](3)薄壁方管内加装另一薄壁带窗方管，二者通过粘结或焊接固结，且薄壁带窗方管各面外法向与薄壁方管对应各面外法向相差45°，薄壁带窗方管各面开设有单列矩形槽口，薄壁方管开有两列矩形槽口，二者槽口模块数相同，槽口位置及尺寸根据具体实际条件而定，如图4所示，此类方式极大增强了吸能装置的吸能效率，并且其横截面上形成框架结构，结构的稳定性增强，另外，在加工制造上，相对简单灵活。
[0034]但是不限于上述3种具体方式，例如通过使用新型板材制造工艺改变薄壁方管轴向不同位置的强度，比如激光拼焊技术或TRB技术，或者将薄壁方管改为锥管的形式，等
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[0035]本发明装置中所述薄壁方管管壁上开有槽口，槽口个数、形状、位置及具体尺寸等对整个装置吸能效果有很大影响，具体数值根据实际冲击能量大小而定。
[0036]以菱形槽口薄壁方管为例，如图5所示，当碰撞发生时，巨大的轴向冲击力迫使薄壁方管发生变形，由于在轴向上菱形横对角线处薄壁方管强度最小，变形最易，将引导装置在此处产生叠缩变形，并且，所开菱形槽口处变形吸能并不是很大，因而开设槽口有利于提高比吸能率，降低荷载均匀性系数，是整个装置性能更优。如图6所示，图中为开设矩形槽口的薄壁方管变形吸能过程。
[0037]在加工工艺上，本发明的吸能装置采用钢、铝或其他金属材料冲压而来，具体为先冲压出带有设计好的槽口的薄板，通过弯曲折叠将薄板用电阻点焊焊接成一方管，连接形式有多种形式，如图7、8所示。
[0038]以下给出本发明的一个具体实施例:
[0039]所述吸能装置，薄壁方管长度L为200mm,壁厚d为2mm,截面边长c为60mm。薄壁方管开设矩形槽口，槽口长a为20mm,高b为30mm,距两侧距离e为5mm,单层带窗模块高度H 为 40mm n
[0040]尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。
【权利要求】
1.一种带窗式薄壁方管吸能装置，其特征在于，该吸能装置为一薄壁方管，其沿轴向设有N层带窗模块，每层带窗模块四面均开一列或多列槽口，带窗模块数N取值在4至8之间，槽口形状可为三角形、四边形或六边形，所述薄壁方管长度L为150-200mm，壁厚d为0.5_5mm,截面边长 c 为 40_70mm。
2.如权利要求1所述的吸能装置，其特征在于，所述薄壁方管开设矩形槽口，槽口长a为20mm,高b为30mm,距两侧距离e为5mm,单层带窗模块高度H为40mm。
3.如权利要求1所述的吸能装置，其特征在于，其中当槽口形状为四边形时，该四边形包括正方形、矩形、菱形或梯形。
4.如权利要求1所述的吸能装置，其特征在于，其中当槽口形状为四边形时，所述薄壁方管四面开有边长逐渐变小的方形槽口，其边长按函数f (x) = (9-x) a/8变化，其中a为一层模块槽口边长，X为所在模块的层数。
5.根据权利要求1所述的带窗式吸能装置，其特征在于，每层带窗模块四面均开有两列槽口，薄壁方管内壁垂直焊接上带窗式薄板，所述带窗式薄板长度与薄壁方管长度相同，带窗式薄板上开设槽口形状可为三角形、四边形或六边形。
6.如权利要求5所述的吸能装置，其特征在于，两块带窗式薄板相互垂直的设置，并将它们整体焊接于薄壁方管内壁，使整个吸能装置截面形状呈“田”字形。
7.根据权利要求1所述的带窗式吸能装置，其特征在于:每层带窗模块四面均开有两列槽口，薄壁方管内加装另一内置薄壁带窗方管，二者通过焊接固结，且薄壁带窗方管各面外法向与薄壁方管对应各面外法向相差45°。
8.如权利要求7所述的吸能装置，其特征在于，薄壁带窗方管各面开设有单列矩形槽口，薄壁方管开有两列矩形槽口，二者槽口模块数相同。
9.一种如权利要求1至8之一所述吸能装置，该吸能装置用于交通工具中。
【文档编号】F16L9/02GK103625401SQ201310669460
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】孙光永, 李光耀, 谭坚 申请人:湖南大学