一种内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置
阅读说明：本技术 一种内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置 (Gradient energy absorption device of embedded pipe type honeycomb filling thin-wall structure ) 是由 谢素超 汪浩 冯哲骏 刘项 马闻 井坤坤 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置,其包括：薄壁管和蜂窝块。蜂窝块内嵌填充管,利用填充管的材质和数量上的差异形成阶梯吸能效果。同时,在蜂窝块的孔洞中嵌有填充管,蜂窝块在压缩过程中,各胞元折叠变形,在完全致密化后内部仍然保持了大量六边形规则空隙,将填充管嵌入蜂窝块,能够充分利用这些空隙,同时根据填充管与蜂窝胞元的耦合作用,内嵌结构整体的吸能能力大于蜂窝块吸能能力与填充管吸能能力的总和,从而能够有效提升结构整体的吸能性能。不仅如此,由于各蜂窝块内填充管的长度、材质、数量和排布方式不同,导致各横切面内填充管的吸能能力存在差异,从而进一步细化阶梯吸能效果。(The invention discloses a gradient energy absorption device of an embedded tubular honeycomb filling thin-wall structure, which comprises: thin walled tubes and honeycomb blocks. The honeycomb block is embedded with a filling pipe, and a step energy absorption effect is formed by utilizing the difference of the material and the quantity of the filling pipe. Meanwhile, filling pipes are embedded in holes of the honeycomb block, each cell element is folded and deformed in the compression process of the honeycomb block, a large number of regular hexagonal gaps are still kept inside the honeycomb block after the honeycomb block is completely densified, the filling pipes are embedded into the honeycomb block, the gaps can be fully utilized, and meanwhile, according to the coupling effect of the filling pipes and the honeycomb cell elements, the integral energy absorption capacity of the embedded structure is larger than the sum of the energy absorption capacity of the honeycomb block and the energy absorption capacity of the filling pipes, so that the integral energy absorption performance of the structure can be effectively improved. Moreover, because the length, the material, the quantity and the arrangement mode of the filling pipes in each honeycomb block are different, the energy absorption capacity of the filling pipes in each cross section is different, and the stepped energy absorption effect is further refined.)
技术领域
本发明主要涉及吸能装置技术领域，尤其涉及一种内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置。
背景技术
随着近年来我国的轨道交通事业的迅猛发展，列车的运行速度不断提高，列车的安全问题也越来越得到重视。一旦列车发生碰撞事故，可能会带来巨大的人员伤亡，因此列车自身的被动安全保护能力尤为重要。专用吸能装置被广泛应用于交通领域的能量耗散系统中,它能够将碰撞冲击过程中的动能转化为结构的塑性变形能，为了提高列车的被动安全保护能力，通常在车辆的前端设置专用吸能装置，在发生碰撞时吸收大部分碰撞动能，从而最大限度减少人员伤亡。
金属薄壁结构作为一种低成本、高强重比、高吸能效率的吸能结构，已经在专用吸能装置中得到广泛应用，但是随着碰撞安全速度标准的提高，单一薄壁结构已然难以满足高标准下的耗能要求，轻质高强的蜂窝结构作为芯材被填充在薄壁结构当中，以蜂窝填充金属薄壁结构组合而成的吸能装置被公认是一种具有高行程比的轻质高效专用吸能装置。
在轨道车辆的耐撞性设计中，通常希望吸能结构具有多级阶梯吸能能力，通过钩缓装置、吸能装置、车端易变形区域、客室的梯度吸能设计，满足从低速到高速碰撞中列车结构从前向后的有序变形，从最大程度上保护乘员的安全。同理，为了获得更为出色的吸能效果，吸能装置内部同样希望实现多级梯度变形吸能，从而能够进一步降低冲撞带来的影响。然而，现有技术中的吸能装置往往结构单一，无法达到可控的多级吸能效果。
发明内容
本发明的主要目的是克服上述现有技术中的不足，以解决现有吸能装置无法达到可控的多级吸能效果的问题。
为实现上述目的，本发明公开的内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置，包括：薄壁管和蜂窝块；
所述薄壁管为纵向延伸的柱状壳体，所述蜂窝块形成有若干纵向延伸的平行孔洞，且若干所述孔洞内嵌有填充管；所述薄壁管内沿所述薄壁管的延伸方向填充有至少两种长度的所述蜂窝块，且位于同一横切面上的所述蜂窝块的长度一致；
所述薄壁管和所述蜂窝块遭受纵向挤压时均能发生压缩变形。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述蜂窝块包括长蜂窝块和短蜂窝块，位于同一横切面上的所述蜂窝块构成蜂窝块组；所述薄壁管前段填充有若干长蜂窝块组、后段填充有若干短蜂窝块组。
所述孔洞呈正六边形，且所述孔洞贯穿所述蜂窝块。
所述薄壁管的前端管口盖设有前端板、后端管口盖设有后端板；各所述蜂窝块组间均设置有隔板。
所述吸能装置还包括一端穿设于所述薄壁管内的导向杆；
所述后端板和所述隔板均形成有导向孔；所述导向杆的一端由后往前分别穿过所述导向孔后抵接所述前端板。
所述导向杆为H型钢或工字钢；所述蜂窝块沿所述导向杆对称分布。
所述填充管包括长管；所述长蜂窝块的若干所述孔洞内嵌有所述长管，且位于同一所述蜂窝块组的所述长蜂窝块内的所述长管排布一致。
各所述长蜂窝块组中所述长管的数量由前端往后端依次递增。
所述长管为碳纤维增强复合材料质圆管，所述长管与所述长蜂窝块等长。
所述填充管包括短管；所述短蜂窝块的若干所述孔洞内嵌有所述短管，且位于同一所述蜂窝块组的所述短蜂窝块内的所述短管排布一致。
各所述短蜂窝块组中，所述短管的数量由前端往后端依次递增。
所述短管为铝质圆管，所述短管与所述短蜂窝块等长。
所述前端板远离所述薄壁管的一面安装有防爬齿，所述防爬齿背离所述前端板的一面形成有若干道横向齿槽。
所述薄壁管的前端管口处形成有诱导槽。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
蜂窝块内嵌填充管，利用填充管的材质和数量上的差异形成阶梯吸能效果。同时，为了进一步提升吸能效果，在蜂窝块的孔洞中嵌有填充管，蜂窝块在压缩过程中，各胞元折叠变形，在完全致密化后内部仍然保持了大量六边形规则空隙，将填充管嵌入蜂窝块，能够充分利用这些空隙，同时根据填充管与蜂窝胞元的耦合作用，内嵌结构整体的吸能能力大于蜂窝块吸能能力与填充管吸能能力的总和，从而能够有效提升结构整体的吸能性能。不仅如此，由于各蜂窝块内填充管的长度、材质、数量和排布方式不同，导致各横切面内填充管的吸能能力存在差异，从而进一步细化阶梯吸能效果。
附图说明
图1为本发明内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置的结构示意图；
图2为本发明内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置的爆炸示意图；
图3为本发明内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置的局部爆炸示意图；
图4为长管与短管在蜂窝块中的排布示意图；
图5为本发明内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置的撞击压缩过程示意图；
图6为本发明内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置与现有技术的吸能对比示意图；
图7为在车体的安装位置示意图。
图中各标号表示：1、薄壁管；11、前端板；12、后端板；13、隔板；14、导向孔；15、防爬齿；16、诱导槽；2、蜂窝块；21、长蜂窝块；22、短蜂窝块；3、导向杆；41、长管；42、短管；5、吸能装置。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明公开了内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置。
如图1至图6所示，本实施例的内嵌管式蜂窝填充薄壁结构的梯度吸能装置，包括：薄壁管1和蜂窝块2；
薄壁管1为纵向延伸的柱状壳体，蜂窝块2形成有若干纵向延伸的平行孔洞，且若干孔洞内嵌有填充管；薄壁管1内沿薄壁管1的延伸方向填充有至少两种长度的蜂窝块2，且位于同一横切面上的蜂窝块2的长度一致；
薄壁管1和蜂窝块2遭受纵向挤压时均能发生压缩变形。
通过在薄壁管1中填充不同长度的蜂窝块2，且在孔洞内嵌填充管，利用填充管的材质和数量上的差异形成阶梯吸能效果，蜂窝块2在压缩过程中，各胞元折叠变形，在完全致密化后内部仍然保持了大量六边形规则空隙，将填充管嵌入蜂窝块2，能够充分利用这些空隙，同时根据填充管与蜂窝胞元的耦合作用，内嵌结构整体的吸能能力大于蜂窝块2吸能能力与填充管吸能能力的总和，从而能够有效提升结构整体的吸能性能。不仅如此，由于各蜂窝块2内填充管的长度、材质、数量和排布方式不同，导致各横切面内填充管的吸能能力存在差异，从而进一步细化阶梯吸能效果。
请参阅图2，本实施例中，蜂窝块2包括长蜂窝块21和短蜂窝块22，位于同一横切面上的蜂窝块2构成蜂窝块组；薄壁管1前段填充有若干长蜂窝块组、后段填充有若干短蜂窝块组。
为了进一步增强可控性、避免蜂窝块2的无序压缩造成受力不均，长蜂窝块21和短蜂窝块22分别位于不同横切面上，当冲击力沿纵向传递时，各横切面的受力基本一致，从而保证了各横切面上的蜂窝块2的压缩进程基本相同。不仅如此，利用短蜂窝块22的抗压性能优于长蜂窝块21的力学特性，将长蜂窝块组设置于前段、将短蜂窝块组设置于后段，能够实现从前往后依次压缩的效果。
本实施例中，孔洞呈正六边形，且孔洞贯穿所述蜂窝块2。
将孔洞设置成正六边形能够最大程度发挥出蜂窝结构的平稳吸能特性，当冲击发生时，蜂窝块2的压缩进程相对平稳，更能提升安全性能。
本实施例中，薄壁管1的前端管口盖设有前端板11、后端管口盖设有后端板12；各蜂窝块组间均设置有隔板13。
各蜂窝块组虽由相同长度的蜂窝块2构成，但完全相同规格的蜂窝块2也会因为实际加工中的差别带来压缩随机变形响应，为了进一步增强各蜂窝块组压缩的同步性，在薄壁管1的前端管口盖设有前端板11，在后端管口盖设有后端板12，并在各蜂窝块组间设置隔板13。前端板11、后端板12和隔板13均为刚性材质，且垂直于蜂窝块2的延伸方向布设，冲击力作用于前端板11后，前端板11能够将其分散至相邻蜂窝块2的各孔洞薄壁上，从而调节蜂窝块2的受力更为均匀。同理，隔板13亦能实现相同功能，从而优化各级蜂窝板组的受力，实现平稳压缩。
本实施例中，吸能装置还包括一端穿设于薄壁管1内的导向杆3；
后端板12和隔板13均形成有导向孔14；导向杆3的一端由后往前分别穿过导向孔14后抵接前端板11。
在冲击发生时，薄壁管1和蜂窝块2都会发生压缩，二者在横向失去支撑，可能由于受力不均造成压缩方向偏离纵向，从而影响力的传递，最重导致吸能效果不佳。为了控制压缩始终沿纵向进行，在吸能装置中设置有导向杆3。导向杆3沿纵向布设，不参与压缩，在冲击发生时，其始终保持沿纵向布置，为薄壁管1和蜂窝块2提供横向支撑，从而能够控制压缩方向不发生偏离。
本实施例中，导向杆3为H型钢或工字钢；蜂窝块2沿导向杆3对称分布。
H型钢或工字钢的力学特性佳，且易于生产加工，且沿导向杆3对称布置蜂窝块2能使整体受力更为均衡。
本实施例中，填充管包括长管41；长蜂窝块21的若干孔洞内嵌有长管41，且位于同一蜂窝块组的长蜂窝块21内的长管41排布一致。
相同数量和相同排布方式的长管41在力学性能上能够基本保持一致，为了尽可能使各级蜂窝块组的受力均衡，位于同组的长蜂窝块21内一致排布长管41。
本实施例中，各长蜂窝块组中长管41的数量由前端往后端依次递增。
当长管41数量越多时，抵抗冲击力的能力越强。为了实现从前往后依次压缩的效果，各长蜂窝块组中长管41的数量由前端往后端依次递增。
本实施例中，长管41为碳纤维增强复合材料质圆管，长管41与长蜂窝块21等长。
碳纤维增强复合材料(CFRP)是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果十分明显。但其内嵌数量并不能无上限地提升，在长管41质量分数超过一定范围时，长蜂窝块21的平稳吸能特性开始受影响。
本实施例中，填充管包括短管42；短蜂窝块22的若干孔洞内嵌有短管42，且位于同一蜂窝块组的短蜂窝块22内的短管42排布一致。
相同数量和相同排布方式的短管42在力学性能上能够基本保持一致，为了尽可能使各级蜂窝块组的受力均衡，位于同组的短蜂窝块22内一致排布短管42。
本实施例中，各短蜂窝块组中，短管42的数量由前端往后端依次递增。
当短管42数量越多时，抵抗冲击力的能力越强。为了实现从前往后依次压缩的效果，各短蜂窝块组中短管42的数量由前端往后端依次递增。
本实施例中，短管42为铝质圆管，短管42与短蜂窝块22等长。
在蜂窝块所有胞元几乎嵌满铝质圆管时仍然能够保持蜂窝块良好的吸能特性，吸能量得到极大提升，甚至可达十倍。然而这种结构同样有着局限性，铝质圆管在压缩过程中很容易发生欧拉变形，因此只能用于短蜂窝块22。
优选地，长蜂窝块组共有6组，且各长蜂窝块组内各含2个长蜂窝块21；短蜂窝块组共有6组，且各段蜂窝块组内各含2个短蜂窝块22。
6组长蜂窝块组按从前往后依次递增地分散内嵌了若干长管41，6组短蜂窝块组按从前往后依次递增地分散内嵌了若干短管42，且各蜂窝块组间通过隔板13分开，由于长管41和短管42的材质差异，形成了以长蜂窝块组和短蜂窝块组为区分的2个大能级梯度，又由于长管41和短管42的长度差异，区分为12个小能级梯度，从而实现了多级可控的阶梯吸能模式。不仅如此，本发明还能根据实际需要，通过调整蜂窝块2和填充管的设置方案形成更多吸能模式。
优选地，长管41采用分散分布形式，短管42采用中央集中分布形式。
碳纤维增强复合材料质圆管在蜂窝块2中分散分布能与更多蜂窝壁发生耦合作用，具有更好的吸能性能，而铝质圆管在蜂窝块中集中分布，变形模式会发生质变，从而能够极大第平稳吸能性能。
本发明通过控制填充管在蜂窝块内的内嵌密度及质量分数，使各级蜂窝块组得到了不同的撞击屈服力，在撞击过程中实现了从前往后各级阶梯依次吸能的效果。本发明还改变了传统吸能结构中蜂窝材料只作为芯材的用法，进一步开拓了蜂窝块2的内部空间，将蜂窝块2作为中间载体，外部由薄壁管1包裹的同时内部嵌有填充管，从而实现了在吸能装置内部可控的阶梯吸能能级。2个大能级梯度分别对应了低速撞击吸能和高速冲击吸能，在大能级梯度内又进一步划分了多个小能级梯度，能够进一步适应不同的撞击速度，从而有效提升了轨道车辆的被动安全保护能力。
本实施例中，前端板11远离薄壁管1的一面安装有防爬齿15，防爬齿15背离前端板11的一面形成有若干道横向齿槽。
当撞击发生时，相邻车厢的防爬齿15相互咬合，从而实现相互制约，能够有效避免爬车现象的发生。
本实施例中，薄壁管1的前端管口处形成有诱导槽16。
通过设置诱导槽16，能够有效诱导薄壁管1在发生撞击时的初始变形，从而引导力的传递。
请参考图7，2个吸能装置5安装于轨道车辆车体底架结构端部，且同端底架结构沿中线方向对称布置。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
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