一种可拆装链式拉伸能量吸收装置

1.本发明涉及能量吸收装置的技术领域，具体而言，本发明是一种可应用于承受拉伸载荷的能量吸收场景的可拆装链式能量吸收装置。该装置适用于航空航天器、车辆工程等领域中的拉伸能量吸收系统。


背景技术：

2.飞机、车辆等在遭受碰撞和爆炸等事故时会承受强烈的冲击载荷，其结构会出现严重的塑性变形甚至断裂破坏，丧失正常的工作能力并挤压载具内部的生存空间，导致人员的伤亡和财产的损失。如何减小和避免结构在冲击载荷下造成严重的生命财产损失已成为冲击防护领域的重要课题。金属薄壁管、泡沫材料填充管、蜂窝结构和点阵结构等结构在冲击防护领域已有广泛的应用，均是通过自身的塑性变形将冲击能量转换为塑性变形能。然而这些传统的结构主要是通过承受压缩载荷来进行有效的能量吸收，在以拉伸载荷为主的场景下就无法使用。
3.大型运输机的客舱横梁以及货仓横梁与机身框的连接处在机体坠撞的过程中主要承受拉伸载荷，月球探测器的着陆腿结构在着陆的过程中也有承受拉伸载荷的部位，坠落保护装置也是通过承受拉伸载荷来吸收能量，常用的压缩能量吸收装置无法满足这些场景下的能量吸收需求，因此开发出合适的拉伸能量吸收装置就具有研究价值。
4.目前的拉伸能量吸收装置有基于螺栓撕裂复合材料的能量吸收装置，基于链式结构的能量吸收装置和基于编织材料拉伸断裂的能量吸收装置等。然而这些均是一次性能量吸收装置，不可重复使用，经济效益不佳。因此在保证拉伸能量吸收装置的能量吸收性能的前提下使其能够重复使用，是一件有意义的工作。


技术实现要素：

5.本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可拆装链式拉伸能量吸收装置，旨在解决传统的链式能量吸收装置的一次性使用问题，在可重复使用的同时便于制造。该装置在承受拉伸载荷时能够有效的将能量转化为吸能芯的塑性变形能，为冲击防护提供了更加多样和经济的选择。
6.本发明的技术方案为：一种可拆装链式拉伸能量吸收装置，包括：可拆装单链、不可拆单链和吸能芯；一个可拆装单链与一个不可拆单链相套构成链式结构的一个基本单元，一个基本单元或多个基本单元依次相套即构成多单元的链式结构，各单链之间无需固定，彼此相互运动；所述吸能芯是由吸能材料构成的吸能结构，放置于链式结构的内腔中；
7.所述可拆装单链为由两个卯结构半链、两个类蝴蝶榫和四个插销组成的复合结构；两个卯结构半链与两个类蝴蝶榫相互进行榫卯配合形成一个整体的单链，再由四个插销将两个卯结构半链与两个类蝴蝶榫的相对位置进一步固定，构成一个可拆装单链；可拆装单链中各组件之间的连接均为自由配合，无需任何形式的固定连接；
8.所述不可拆单链是与可拆装单链外形相似的不可拆结构，即不可拆单链的外形应
该与组装好的可拆装单链相套构成链式结构，但是不具备可拆装单链的榫卯结构，因而是不可拆结构。
9.所述可拆装链式拉伸能量吸收装置的整体长度、可拆装单链中类蝴蝶榫的榫头数均根据实际需要进行调整；可拆装单链和不可拆单链的长度保持一致；考虑到链式结构的强度和质量的均衡，链式结构中各单链的壁厚为5mm～6mm，单链整体是一个均匀壁厚的环状结构，可见图3中的工程图，示意图中是两端加了便于实验机夹持的夹柄；可拆装单链中的四个插销的直径均为2mm。
10.所述不可拆单链和可拆装单链中的两个卯结构半链、两个类蝴蝶榫和四个插销的制造材料均为钢材，通过电火花线切割加工制造；可拆装单链中的各组成部件之间要求配合紧密，对加工精度有较高的要求，采用电火花线切割精度合适，加工方便。
11.所述吸能芯由泡沫铝或点阵的压缩吸能材料构成，为使吸能芯能够顺利的放置于链式结构的内腔中，其形状与链式结构内腔的形状相似，其尺寸应略小于链式结构内腔的尺寸；吸能芯与可拆装单链及不可拆单链之间不需要进行任何连接，以发挥可拆装链式拉伸能量吸收装置的便于拆装的特性。
12.所述可拆装链式拉伸能量吸收装置的截面形状任意设计，包括方形、六边形，八边形或圆形，以满足不同使用场景的需要。
13.本发明的原理在于：一种可拆装链式拉伸能量吸收装置，整体为金属材料制备而成的链式结构和填充在链式结构内腔的吸能芯，其中链式结构以两个单链为一组，对其中的一个单链进行了可拆装设计，以使结构便于制造和实现可重复利用。吸能芯为吸能材料，如闭孔泡沫铝，点阵等。链式结构在非吸能工作状态下可以承受压缩载荷，不仅有利于保持吸能芯的结构稳定，还可以用于结构承载。当链式结构的两端受到拉伸载荷作用的时候，两个单链就会发生相对位移，压溃链式结构内腔中的吸能芯以达到能量吸收的目的。吸能芯所使用的结构和材料可根据冲击能量的大小进行选择。当吸能芯被压实时，链式结构就会停止相对位移，从而起到限制吸能装置变形大小的作用。
14.本发明与现有技术相比的有益效果：
15.(1)本发明装置可以将传统的压缩吸能材料应用于拉伸吸能场景，拓展了传统的压缩吸能材料的应用范围。
16.(2)现有的拉伸吸能装置和压缩吸能装置大多为一次性吸能装置，不能重复使用，而本发明设计采用榫卯结构，将传统的方形截面链式结构进行可拆装设计，实现了吸能装置的重复使用，减小经济成本。本发明装置能够重复使用，降低了使用成本，无需一次成型，降低了制造难度。
17.(3)本发明可以限制内部吸能材料的变形范围，避免吸能材料发生整体的屈曲，从而提高了吸能材料的能量吸收能力，对结构及人体的安全防护提供了更为安全的保障。对于脆性材料能量吸收能力的提高更为明显，因为该装置可以将已发生脆裂的脆性材料限制在一个小的空间内进一步发生脆裂。
18.(4)本发明装置在功能上是分工协作式的。外部的链式结构在非吸能状态下起到承受并传递压载的作用，此时其结构形状稳定，可以作为非吸能构件加以利用，而内部的吸能芯仅在吸能状态下开始工作，在外部的链式结构承受拉伸载荷的时候，其被压缩进而吸收能量。
19.(5)本发明装置可通过改变吸能芯所使用的结构和材料来满足不同的能量吸收需求，具备较好的可调节性。以闭孔泡沫铝材料为例，可以通过调节其密度来控制结构吸收能量的大小。
附图说明
20.图1为本发明的整体结构图；
21.图2为可拆装链式拉伸能量吸收装置组装图；
22.图3为可拆装链式拉伸能量吸收装置工程图，其中(a)为1号卯结构半链的工程图，(b)为2号卯结构半链的工程图，(c)为类蝴蝶榫的工程图，(d)为插销的工程图，(e)为不可拆单链的工程图；
23.图4为可拆装链式拉伸能量吸收装置承受拉伸载荷时实验结果分析，其中图(a)为可拆装链式拉伸能量吸收装置的拉伸过程，(b)为闭孔泡沫铝吸能芯最终的压缩形态，(c)为可拆装链式拉伸能量吸收装置的载荷-位移曲线；
24.图中附图标记含义：1为1号卯结构半链，2为2号卯结构半链，3为类蝴蝶榫，4为插销，5为不可拆单链，6为吸能芯。
具体实施方式
25.下面结合附图及实施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的可拆装链式能量吸收装置，而不能视为对本发明的限制。
26.如图1和图2所示，本发明一种可拆装链式拉伸能量吸收装置由三部分组成，分别是可拆装单链、不可拆单链5和吸能芯6，可拆装单链与不可拆单链依次相套构成链式结构，各单链之间无需固定，彼此可以相互运动，吸能芯放置于链式结构的内腔中。
27.如图2所示，可拆装单链是为由两个卯结构半链，即1号卯结构半链1和1号卯结构半链2、两个类蝴蝶榫3和四个插销4组成的复合结构。两个卯结构半链与两个类蝴蝶榫进行榫卯配合连接成一个整体，再由四个插销将两个卯结构半链与两个类蝴蝶榫的相对位置进一步固定，构成一个可拆装单链。可拆装单链中各组件之间的连接均为自由配合，无需任何形式的固定连接。不可拆单链是与可拆装单链外形相似的不可拆结构，即不可拆单链的外形应该可以与组装好的可拆装单链相套构成链式结构，但是不具备可拆装单链的榫卯结构，因而是不可拆的结构。吸能芯是由吸能材料构成的吸能结构。
28.如图3中(a)和(b)所示可拆装单链中每个卯结构半链的长度为62.5mm,壁厚为5mm，其中图3中的(b)所示的2号卯结构半链还设计有长度为75mm的夹柄，以便于拉伸试验机的夹持。如图3中的(c)所示的类蝴蝶榫结构的形状和大小与两个卯结构半链相互配合形成的榫眼的形状和大小一致，榫头数为6个，厚度为5mm。如图3中的(d)所示的插销的直径为2mm。如图3(e)所示，不可拆单链的长度为125mm，壁厚为5mm，同样设计了一个长度为75mm的夹柄。
29.不可拆单链和可拆装单链由不锈钢材料通过电火花线切割加工而成，吸能芯为将闭孔泡沫铝用电火花线切割加工成相应的形状而成。本实施例的可拆装链式拉伸能量吸收装置的组装方式如图3所示，首先将吸能芯填充到1号卯结构半链中，然后将二者作为一个
整体放入不可拆单链中，再按照图3中的箭头(a)所示将2号卯结构半链与1号卯结构半链对齐，使二者形成完整的榫眼，将两个类蝴蝶榫按图3中的箭头(b)所示插入到榫眼中，最后按图3中的箭头(c)所示将四个插销插入插销孔中。依照上述步骤即可组合出完整的可拆装链式拉伸能量吸收装置。可拆装链式拉伸能量吸收装置使用后按照上述步骤的逆步骤即可将其拆卸，即可将已失效的吸能芯替换为新的吸能芯。
30.以下根据具体的准静态拉伸实验结果来介绍本发明的实施例的能量吸收特性。实验的拉伸速度为13.08mm/min，吸能芯的闭孔泡沫铝的密度分别为0.259g/cm3，0.324g/cm3和0.441g/cm3。如图4中的(a)所示，将本发明实施例的不可拆单链的夹柄夹到试验机的固定端，可拆装单链的夹柄夹到实验机的移动端。当该装置承受拉伸载荷时，可拆卸单链向上移动，开始压缩填充在内的闭孔泡沫铝，闭孔泡沫铝被均匀压溃进而吸收拉伸过程中产生的能量，最终的压溃结果如图4中的(b)所示。从图4中的(c)所示的载荷-位移曲线上看，没有较大的初始峰值载荷，载荷的平台段明显，有效吸能距离长，说明该装置具有良好的能量吸收性能。若是不使用可拆装链式拉伸能量吸收装置，而是对吸能芯直接进行压缩，吸能芯会发生整体屈曲甚至断裂，使得其能量吸收性能不佳。可拆装链式拉伸能量吸收装置可以对其内部的吸能芯的变形进行约束，防止整体屈曲这种变形模式的发生，因而可以提高吸能芯的能量吸收性能。
31.总之，本发明中的可拆装链式拉伸能量吸收装置，克服了传统链式拉伸能量吸收装置制造成本高，且只能一次性使用的问题，实现了链式拉伸能量吸收装置的可重复使用，这种可拆装的设计也使得内部吸能芯的吸能材料的可选范围得到了扩大，有利于提高链式拉伸能量吸收装置的能量吸收性能和实现对能量吸收进程的控制。
32.提供以上实例旨在描述本发明的目的，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。