[发明专利]薄壁吸能筒及其屈曲模式控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄壁吸能领域，特别是涉及一种含有初始缺陷的薄壁吸能结构。

背景技术

对于汽车、高速列车等交通工具来说，撞击现象一直是一个极其重要和不可回避的问题。近年来，随着汽车与高速列车数量迅速增加和行驶速度的不断提高，使得碰撞问题越来越突出，迅速增加的碰撞事故会造成重大人身伤亡和财产损失，耐撞性能已成为汽车、高速列车等结构设计时首要考虑的问题。

人们很早就注意到，薄壁筒在轴压下一般有稳定的渐进破坏模式，通过塑性屈曲吸收能量。薄壁筒是传统的缓冲吸能结构，也是应用最广泛的缓冲吸能结构之一，受轴向冲击载荷作用时可吸收可观的能量。薄壁筒受轴向冲击载荷的动态弹塑性屈曲是一个很复杂的现象，根据薄壁筒的几何参数、载荷情况和材料性质的共同影响，有三种类型的失稳模式：动态塑性屈曲模式，一般在高速冲击情况下，在出现大的径向位移之前，薄壁筒沿整个长度方向产生皱折；动态渐进屈曲模式，在低速冲击的情况下，其变形过程类似于静力情形，皱折是从一端开始形成并逐渐向另一端发展，此种模式为理想的吸能模式；以及欧拉弯曲模式。

尽管薄壁筒吸能结构已经获得了大量研究及普遍的应用，其在轴向冲击下依然存在一些问题：1、初始峰值屈曲载荷过高，一般是平均压溃载荷的2倍以上，这会导致有效的吸能空间无法完全填充；2、屈曲模式不完全可控，有些情况下，会出现从圆环模式(轴对称模式)过渡到钻石模式(非轴对称模式)的混合模式，这样不可控的屈曲模式会导致屈曲压溃力的不可控以及屈曲过程的不稳定；3、屈曲顺序的不可控，在一些长径比较大的模型中会导致模式的不稳定，易发生欧拉失稳。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供了一种薄壁吸能筒及该薄壁吸能筒的屈曲模式控制方法，从而一方面降低初始峰值屈曲载荷，一方面有效控制薄壁筒的屈曲模式。

薄壁吸能筒的方案如下：

一种薄壁吸能筒，包括筒体，所述筒体包括接受轴向冲击载荷的前端和与所述前端相对的后端，从所述筒体的前端起，在筒体的外壁和内壁上交替布置多个周向环形凹槽。

优选所述薄壁吸能筒为圆筒、椭圆筒或多边形筒。

优选从所述筒体的前端开始，所述凹槽的最大深度在筒体的至少部分长度上呈减小的变化趋势。

优选存在深度变化的任意两相邻凹槽间的最大深度减小值相等。

优选所述凹槽的轴向截面为矩形、半圆形或弧形。

优选任意两相邻凹槽间的最小间距相等。

控制上述薄壁吸能筒屈曲模式的方法如下：

一、通过无量纲凹槽深度参数的大小控制薄壁吸能筒的屈曲模式，其中，所述无量纲凹槽深度参数为位于所述筒体的前端的初始凹槽的最大深度与所述筒体的壁厚之比。

二、通过无量纲凹槽宽度参数的大小控制薄壁吸能筒的屈曲模式，其中，所述无量纲凹槽宽度参数为凹槽的最大宽度与所述筒体的壁厚和位于所述筒体的前端的初始凹槽的最大深度之和的比值。

所述无量纲凹槽宽度参数优选大于或等于π/2。

三、通过无量纲半波长参数的大小控制薄壁吸能筒的屈曲模式，所述薄壁吸能筒为圆筒，所述无量纲半波长参数由下述比值表示：

(H+W-h)/sqrt(Dh)

其中，H为相邻两凹槽间的最小间距，W为凹槽的最大宽度，h为筒体的壁厚，sqrt(Dh)为未设置凹槽的完整圆筒筒体部分轴对称屈曲模式下的理论半波长。

本发明采用在薄壁筒上布置沿长度方向的初始缺陷，即环形凹槽，有效地控制了薄壁筒的屈曲模式、塑性铰形成位置，并进而通过控制凹槽的槽深变化及槽宽、槽间距等，有效地控制了屈曲压溃力历程，从而达到了可控的优化薄壁筒轴压屈曲吸能空间的目的。

附图说明

图1是本发明实施例的薄壁筒的凹槽缺陷排布示意图；

图2是图1所示实施例中凹槽缺陷对塑性铰形成控制的示意图；

图3是图1所示实施例的凹槽处屈曲褶皱模型的示意图；

图4是薄壁筒压溃力-位移曲线图。

图中：D：薄壁筒直径，L：薄壁筒长度，h：薄壁筒壁厚，h₀：初始凹槽深度，t：凹槽深度变化值，H：相邻凹槽间距，W：凹槽宽度，m：特定模型参数，F：压溃力。

具体实施方式

下文将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。