一种轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置

摘要

本发明公开了一种轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置，包括上层波纹夹芯板、中间的轴向波纹蜂窝夹芯层及下层波纹夹芯板。所述的轴向波纹蜂窝夹芯层是由轴向波纹板以及三角管组成了类六边形复合结构。所述的上层及下层波纹夹芯板均由上层平板、正弦式波纹板以及下层平板构成，且上层与下层波纹夹芯板面内正交分布以增强横、纵向的能量吸收特性。本发明克服了传统六边形蜂窝结构在受到冲击载荷作用时存在的较大初始峰值载荷的问题，避免对被保护结构造成的严重初始损伤，并且实现了蜂窝每个胞元壁面稳定的渐进式屈曲模式，增大了结构压溃时的平台力及结构的比吸能，更多地将承受的冲击能量转化为结构的塑性变形能，从而提高了蜂窝结构的能量吸收能力。

说明书

技术领域

本发明涉及能量吸收装置的技术领域，具体而言，本发明是一种轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置，该装置适用于航空航天器、车辆工程等领域中的抗冲击能量吸收系统，或者是核能装备、舰艇结构的抗爆炸安全防护装置。

背景技术

当发生冲击、爆炸或碰撞等事故时产生强烈的冲击载荷作用于飞机舰艇等结构后，使其产生强烈的冲击振动，导致结构出现严重的塑性变形和破坏，从而使航空器、舰艇或车辆丧失正常运行的能力甚至造成重大的生命财产损失。如何保证结构在受到强动载冲击后不发生严重的事故，已成为结构安全防护领域中极为关注的课题。因此，蜂窝结构、轻质夹芯板及多孔泡沫材料填充管等结构应运而生。当受到冲击载荷作用时利用吸能结构的塑性变形能够有效地将冲击能量转化为结构的塑性变形能，从而保护结构和乘员的人身安全。

其中，蜂窝材料作为一种轻质且性能优异的结构与功能一体化工程结构，广泛应用于航空、航天、交通及机械等工程领域。此外，蜂窝结构具备较好的能量吸收特性，在比较低的应力水平下可吸收大量的冲击能量，因此，蜂窝结构常作为一种能量吸收装置，取得了非常好的社会和经济效益。

然而，在冲击载荷作用的过程中，蜂窝结构的压溃会产生较大的初始峰值载荷，直接会对结构或者人体造成严重的初始伤害。此外，随着目前航空高铁等技术的飞速发展，人们一直在追求更高的运行速度，传统的蜂窝结构已经无法满足结构面对复杂强动载作用的需求。

因此，在继承传统蜂窝渐进式屈曲模式的前提下，如何在避免较高的初始峰值载荷的同时又能够提高蜂窝结构的能量吸收能力，是一件极具挑战性的工作。对于新型能量吸收装置的开发、抗冲击防护系统的构建及降低生命财产损失有着重要的意义。

发明内容

本发明技术解决问题：针对传统的蜂窝结构在承受冲击过程中存在的问题，提供一种避免初始峰值载荷同时能够提高材料比吸能的轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置。当该结构在承受爆炸、冲击或碰撞等工况时能够有效地将冲击能量转化为结构的塑性变形能，同时避免了较大初始峰值载荷造成的伤害，为抗冲击安全防护提供了更加方便、经济及安全的保障。

为了达到以上目的，本发明的技术方案为：一种轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置，该装置自上而下包括上层波纹夹芯板、中间的轴向波纹蜂窝夹芯层及下层波纹夹芯板；所述的上层波纹夹芯板及下层波纹夹芯板为正弦式波纹夹芯板结构；所述的中间的轴向波纹蜂窝夹芯层由正弦式波纹板及三角管构成，其中正弦式波纹板取代了普通六边形蜂窝的每个壁面，每三个正弦波纹板通过一个三角管连接构成了波纹蜂窝结构的最小单元。

所述上层波纹夹芯板和下层波纹夹芯板中的波纹板的振幅为5～10mm，波纹周期分布为15～20mm；中间的轴向波纹蜂窝结构中的波纹板的轴向垂直高度与三角管的高度相等，轴向波纹的数目为5～15。上层波纹夹芯板和下层波纹夹芯板分别作为该能量吸收装置的上、下表面，可以起到增加整体结构刚度的作用，而中间的轴向波纹蜂窝结构作为该能量吸收的核心装置能够在承受冲击载荷时基于结构的塑性变形吸收冲击动能，起到冲击防护的功能。其中，所述的轴向波纹蜂窝夹芯层是由波纹板与三角管构成，三个相连的波纹板中性面中两两夹角为120度，波纹板端面的正弦波纹曲线所在的平面两两相交形成了三角管，也就是说3个波纹板通过一个三角管连接起来。其中，将传统平面薄壁替换为波纹板薄壁可以产生一定程度的结构初始软化，从而降低在承受冲击载荷时的初始峰值载荷，避免对被保护结构的初始损伤。同时三角管作为主要的吸能组件，可以承受冲击载荷时吸收更多的冲击动能，提高结构比吸能。

其中，上层波纹夹芯板、中间的轴向波纹蜂窝夹芯层及下层波纹夹芯板所采用的材料均为铝合金或者钢材中的一种，所采用的平板通过冷轧工艺方法制备，正弦式波纹板通过模压成型或者冲压成型制备。

本发明的原理在于：一种轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置，整体为金属材料制备而成的类六边形轴向波纹蜂窝夹心结构，其上下端面分别与上层波纹夹芯板及下层波纹夹芯板，以增加整体结构的抗弯刚度及抗冲击性能。当结构受到冲击载荷作用时，上层波纹夹芯板中的波纹芯层受压溃可提供部分能量吸收能力。中间为由波纹板及三角管组成的轴向波纹蜂窝结构，波纹板的振幅及周期可根据冲击能量的大小灵活调节。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)本发明作为一种高比强度、比刚度、抗冲击的轴向波纹蜂窝能量吸收装置可作为承受爆炸、冲击及强碰撞等安全防护系统，广泛应用于航空航天、船舶及汽车等工程防护领域。

(2)相比于传统的能量吸收结构，本发明能够避免传统结构承受冲击载荷时产生的初始峰值载荷，减小了对被保护结构造成的严重初始伤害。同时波纹蜂窝夹心结构能够大大提高结构的能量吸收能力，对结构及人体的安全防护提供了更为安全的保障。

(3)本发明制备与安装容易实现，耗时少，可满足经济情况的抗冲击需求。同时可根据冲击能量的大小来调整轴向波纹板的振幅以及周期来满足不同的能量吸收需求，具备较好的可调节性以及灵活性。

相比于传统的六边形铝蜂窝结构，轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置中由于嵌入了中间的轴向波纹蜂窝夹芯层，使其在压溃过程中具有较小的初始峰值载荷，从而能有有效地避免在冲击吸能过程中产生较大的过载，防止对被保护结构的初始损伤。此外，轴向波纹蜂窝夹芯层又增加了轴向分布的三角管结构，能够提高承受冲击时的平均压溃载荷，因而增强了轴向波纹蜂窝夹心板的抗冲击能量吸收能力。

附图说明

图1为轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置；

图2为轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置轴测图；

图3为轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置俯视图；

图4为波纹蜂窝结构图，其中，(a)为最小单元的俯视图，(b)为最小单元的轴测图；

图5为轴向波纹蜂窝夹心能量吸收装置承受冲击载荷时有限元结果分析；其中(a)为轴向波纹蜂窝夹芯板抗冲击吸能装置的渐进式褶皱失效模式，(b)为该吸能装置在压溃过程中的载荷位移曲线；

图中附图标记含义：1为上表层面板，2为横向波纹板，3为下表层面板，4为轴向波纹板，5为三角管。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明进行详细说明，下文中通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在解释本发明中提出了新型嵌套组合圆环抗冲击多级能量吸收装置，而不能视为对本发明的限制。

如图1所示，本发明的一种轴向波纹蜂窝夹心板抗冲击吸能装置，整体为由金属材料构成的轴向波纹蜂窝夹心板，主要包括上层波纹夹芯板、中间的轴向波纹蜂窝夹芯层及下层波纹夹芯板。上层波纹夹芯板主要由上表层面板1、横向波纹板2以及下表层面板3构成，下层波纹夹芯板的构造与上层波纹夹芯板的构造相同，其主要区别是上、下层波纹夹芯板中对应的横向波纹板垂直正交分布。

轴向波纹蜂窝夹心板的核心组件为如图2所示的中间的轴向波纹蜂窝夹芯层，该轴向波纹蜂窝夹芯层主要由多个轴向波纹板4和三角管5构成，轴向波纹蜂窝夹心板的俯视图如图3所示。具体而言，通过将轴向波纹板替代传统六边形蜂窝平整的胞元壁面，相连三个轴向波纹板之间中性面的夹角为120度且通过一个截面为正三角形的三角管连接，构成了如图4所示的最小单元，最小单元沿面内向四周有序扩展成为图3所示的类六边形轴向波纹蜂窝结构，其中(a)为该最小单元的俯视图，(b)为该最小单元的轴测图。轴向波纹蜂窝的上下表面再与上、下层波纹夹芯板连接构成了整体的波纹蜂窝夹心能量吸收装置。

以下根据结构的有限元软件Ls-dyna软件介绍波纹蜂窝夹心能量吸收装置的能量吸收特性。通过有限元模拟分析该装置在承受冲击载荷作用时的能量吸收特性。初始冲击速度v＝20m/s，冲击物体的质量为150Kg，轴向波纹板的高度为20mm，厚度为0.075mm，胞元壁面长度6mm。固定该装置下方所有节点的自由度，冲击物体只具备垂直向下的冲击速度。当该装置承受冲击载荷时，上层波纹夹芯板结构首先产生塑性变形吸收一部分能量，紧接着中间的轴向波纹蜂窝发生如图5所示稳定的屈曲模式，其中(a)为本发明能量吸收装置在承受冲击载荷时的渐进式褶皱压溃模式，(b)为本发明能量吸收装置在冲击载荷作用下的载荷位移曲线。从载荷位移曲线可以看出，轴向波纹蜂窝夹芯板与传统的六边形蜂窝夹芯板相比，消除了初始载荷同时提高了平台力，进而增加了蜂窝结构的比吸能。

总之，本发明中的轴向波纹式蜂窝结构设计，克服了传统六边形蜂窝结构在受到冲击载荷作用时存在的较大初始峰值载荷的问题，避免对被保护结构造成的严重初始损伤，并且实现了蜂窝每个胞元壁面稳定的渐进式屈曲模式，增大了结构压溃时的平台力及结构的比吸能，更多地将承受的冲击能量转化为结构的塑性变形能，从而提高了蜂窝结构的能量吸收能力。

提供以上实例仅仅是为了描述本发明的目的，而不是限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。