一种缓冲吸能装置及其控制方法

1.本发明属于交通运输领域，涉及缓冲吸能结构，特别是涉及一种缓冲吸能装置及其控制方法。


背景技术：

2.缓冲吸能结构或装置被广泛应用于航空航天、汽车、船舶、铁路等领域，其通过材料和结构的塑性变形来吸收碰撞过程中的动能，降低碰撞对象所遭受到冲击载荷的强度，从而减轻或避免冲击带来的损伤，达到保护乘员或仪器设备的作用。
3.典型的缓冲吸能装置通常采用泡沫、蜂窝等多胞材料以及各种形式的薄壁结构，具有优异的缓冲吸能特性。在实际工程应用中，需要根据预计的撞击条件(如撞击物的质量和速度等)对吸能结构进行参数设计，一旦完成加工和安装后，吸能结构能够在预设的撞击条件下发挥最佳的缓冲吸能作用。但是，当冲击条件发生改变时，吸能结构往往难以达到较好的缓冲效果。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种吸能特性可调的缓冲吸能装置及其控制方法，其通过对缓冲性能进行快速自我调节，来适应不同的撞击条件，进而解决现有缓冲吸能装置存在的无法在冲击条件发生改变时，达到较好缓冲效果的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.本发明提供一种缓冲吸能装置，包括：
7.缓冲吸能单元，所述缓冲吸能单元包括柱状缓冲外壳、底座和气体发生装置；所述柱状缓冲外壳为圆柱状或直棱柱状，所述柱状缓冲外壳的一端开口，另一端封闭；所述底座与所述柱状缓冲外壳的开口端密封连接，以形成容纳气体的封闭空腔；所述气体发生装置设置于所述底座上，并位于所述封闭空腔内，所述气体发生装置能够产生气体，以调节所述封闭空腔内的气压；
8.传感单元，所述传感单元能够在撞击物与所述柱状缓冲外壳的封闭端碰撞之前，探测所述撞击物的碰撞信息，所述碰撞信息包括所述撞击物的碰撞速度和所述撞击物的质量；
9.控制单元，所述控制单元与所述传感单元和所述气体发生装置通讯连接，所述控制单元能够根据所述碰撞信息控制所述气体发生装置产生适量气体。
10.可选的，所述柱状缓冲外壳为金属缓冲外壳或塑料缓冲外壳；且当所述柱状缓冲外壳为所述金属缓冲外壳时，所述底座为金属底座，所述金属缓冲外壳的材质为钢、不锈钢或铝合金。
11.可选的，所述柱状缓冲外壳为圆柱状金属缓冲外壳，且其外径与壁厚的比值范围为30～100，轴向长度与外径的比值不大于3。
12.可选的，所述底座的朝向所述柱状缓冲外壳的一侧面设置有圆柱凸台，所述圆柱
状金属缓冲外壳套设于所述圆柱凸台外，并与所述圆柱凸台同轴布置；所述圆柱状金属缓冲外壳通过法兰固定于所述底座上，且所述圆柱状金属缓冲外壳的开口端与所述底座之间设置有密封圈。
13.可选的，所述气体发生装置包括雷管和电弧击发装置，所述雷管内填充叠氮化钠和硝酸钾的混合物或黑火药，所述电弧击发装置能够在所述控制单元的控制下向所述雷管施加电弧，以引爆所述雷管。
14.可选的，所述气体发生装置设置有多个，且所有所述气体发生装置在所述底座上均匀分布；任意一所述气体发生装置均与所述控制单元通讯连接，所述控制单元能够根据所述碰撞信息触发单个或多个所述气体发生装置。
15.可选的，所述缓冲吸能单元设置有多个，任意一所述缓冲吸能单元的所述气体发生装置均与所述控制单元通讯连接。
16.可选的，所述缓冲吸能单元还包括泄压装置，所述泄压装置设置于所述柱状缓冲外壳的开口端侧壁或所述底座上，所述泄压装置能够感知和释放所述封闭空腔内部气压，所述泄压装置与所述控制单元通讯连接。
17.可选的，所述泄压装置为具有气压感知功能的安全泄压阀，所述底座上开设有能够连通所述封闭空腔与外部的通孔，所述安全泄压阀设置于所述通孔内。
18.可选的，所述缓冲吸能单元设置有多个，任意一所述缓冲吸能单元的所述气体发生装置和所述安全泄压阀均与所述控制单元通讯连接。
19.可选的，所述缓冲吸能单元设置有多个时，所述缓冲吸能单元设置单排或多排。
20.本发明还提出一种如上述所述的缓冲吸能装置的控制方法，所述控制单元根据所述碰撞信息计算得出碰撞能量，并根据单个所述气体发生装置所能释放的气体量，触发合适数量的所述气体发生装置。
21.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
22.本发明提出的缓冲吸能装置，利用柱状缓冲外壳和底座形成容纳气体的封闭空腔，可在利用柱状缓冲外壳的渐进式压溃变形模式，实现基本的缓冲吸能作用的基础上，通过触发封闭空腔内的气体发生装置，快速调节封闭空腔内气压，实现缓冲吸能单元对自身缓冲性能的快速自我调节，来适应相应的撞击条件。本发明通过传感单元在碰撞事故发生前对碰撞条件进行感知，并利用控制单元根据碰撞条件触发气体发生装置，可以在冲击事故即将发生或发生的过程中，合理地控制吸能装置的吸能特性，达到优化碰撞过程，实现对乘员或设备最佳保护的效果，也为自适应能量吸收装置和缓冲吸能的智能化奠定了基础。
23.在本发明的一些技术方案中，通过在底座上设置安全泄压阀，能够有效地释放薄壁圆柱(即柱状缓冲外壳)内部气体压力，从而避免薄壁圆柱(即柱状缓冲外壳)因内压过高而发生爆炸。
24.在本发明的一些技术方案中，设计了由多个气体发生装置组成的气体发生器阵列，可根据实际需要选择气体发生装置的起爆数量，使得该缓冲吸能装置的能量吸收能够在基本吸能特性的基础上，进行多级调控，且响应速度快，稳定可控，是实现该吸能装置可控的核心。
25.本发明提出的缓冲吸能装置的控制方法，可根据实际需要选择气体发生装置的起爆数量，使得该缓冲吸能装置的能量吸收能够在基本吸能特性的基础上，进行多级调控，且
响应速度快，稳定可控，是实现该吸能装置可控的核心。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例所公开的缓冲吸能装置的整体结构示意图；
28.图2为本发明实施例所公开的缓冲吸能单元的轴向剖面结构示意图；
29.图3为本发明实施例所公开的底座的俯视图。
30.其中，附图标记为：
31.1、缓冲吸能单元；1-1、柱状缓冲外壳；1-2、底座；1-3、气体发生装置；1-4、封闭空腔；1-5、圆柱凸台；1-6、法兰；1-7、安全泄压阀；1-8通孔；
32.2、传感单元；
33.3、控制单元。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明的目的之一是提供一种吸能特性可调的缓冲吸能装置，其通过对缓冲性能进行快速自我调节，来适应不同的撞击条件，进而解决现有缓冲吸能装置存在的无法在冲击条件发生改变时，达到较好缓冲效果的问题。
36.本发明的另一目的在于提出一种上述缓冲吸能装置的控制方法。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.实施例一
39.如图1～图2所示，本实施例提供一种缓冲吸能装置，主要包括缓冲吸能单元1、传感单元2、控制单元3以及相应的紧固件和电缆等，缓冲吸能单元1包括柱状缓冲外壳1-1、底座1-2、气体发生装置1-3和泄压装置，柱状缓冲外壳1-1为圆柱状或直棱柱状，柱状缓冲外壳1-1的一端开口，另一端封闭，底座1-2与柱状缓冲外壳1-1的开口端密封连接，以形成容纳气体的封闭空腔1-4；气体发生装置1-3设置于底座1-2上，并位于封闭空腔1-4内，气体发生装置1-3能够产生气体，以调节封闭空腔1-4内的气压。传感单元2设置于缓冲吸能单元1外部，其主要与撞击物通讯相连，其能够在撞击物与柱状缓冲外壳1-1的顶端碰撞之前，探测撞击物的碰撞信息，碰撞信息包括撞击物的碰撞速度v0和撞击物的质量m，控制单元3与上述传感单元2和气体发生装置1-3通讯连接，控制单元3能够根据传感单元2传递过来的碰撞信息触发气体发生装置1-3释放适量的气体，以快速调节封闭空腔1-4内气压，实现缓冲吸能单元1对自身缓冲性能的快速自我调节，来适应相应的撞击条件。
40.本实施例中，柱状缓冲外壳1-1可为金属缓冲外壳或塑料缓冲外壳(比如聚合物塑料)。一般情况下，柱状缓冲外壳1-1采用金属材质制作，底座1-2也采用金属材质制作，柱状缓冲外壳1-1可选用的金属材质为钢、不锈钢或铝合金。底座1-2的材质可与柱状缓冲外壳1-1的材质相同。
41.本实施例中，柱状缓冲外壳1-1为直棱柱状时，一般采用正棱柱结构。正棱柱的任意一横截面均为正多边形(比如正三角形、正方形或正六边形等)。考虑到棱柱状的缓冲外壳在与底座1-2进行密封时，密封结构复杂且密封效果无法保障，一般更优选采用圆柱状的缓冲外壳1-1，而且一般采用金属薄壁结构，即柱状缓冲外壳1-1优选设计为薄壁金属圆柱状缓冲外壳。于本实施例中，薄壁金属圆柱状缓冲外壳采用延展性优异、强度较高的金属材料制成，如45号钢、304不锈钢或者6061铝合金等。薄壁金属圆柱状缓冲外壳的壁厚为h，h一般优选为1～2mm，直径为d(此处的直径一般设定为外径，但是随着薄壁金属圆柱状缓冲外壳体积的增大，为了保障强度，其壁厚也会随之增大，一般在其壁厚超过2mm时，此处的直径d一般指代薄壁金属圆柱状缓冲外壳的中径，即位于薄壁金属圆柱状缓冲外壳内壁与外壁之间的圆柱面的直径，且该圆柱面的直径与薄壁金属圆柱状缓冲外壳内壁直径的差值，等于该圆柱面的直径与薄壁金属圆柱状缓冲外壳外壁直径的差值)、轴向高度为l；为了保证薄壁金属圆柱状缓冲外壳能够发生稳定的轴向渐进式压溃变形模式，其径厚比d/h应该控制在30～100之间，长径比l/d应不大于3且不为零。
42.本实施例中，如图2所示，底座1-2的顶面，即底座1-2的朝向金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)的一侧面上设置有圆柱凸台1-5，金属圆柱状缓冲外壳的开口端套设于圆柱凸台1-5外，并与圆柱凸台1-5同轴布置。底座1-2优选为圆形底座，且圆柱凸台1-5与底座1-2整体同轴布置。上述方案中，金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)的主要作用是在其封闭端受到轴向冲击时，通过渐进式压溃变形吸收冲击动能，同时将气体封闭在其中。由于轴向压缩变形的影响，金属圆柱状缓冲外壳体积变小，封闭空腔1-4体积变小，相应内部气体也被压缩。封闭空腔1-4内部气体压力的提高使得金属圆柱状缓冲外壳的轴向渐进式压溃变形模式受到一定的影响，其单位质量的比能量吸收亦会有所提高。在金属圆柱状缓冲外壳压溃变形和气体压缩的综合作用下吸收碰撞能量，从而达到缓冲目的。底座1-2则用于固定和支撑金属圆柱状缓冲外壳，并为其他部件提供安装基座。底座1-2一般优选采用铝合金加工，其圆柱凸台1-5的外径略小于金属圆柱状缓冲外壳的内径，安装时，圆柱凸台1-5插入金属圆柱状缓冲外壳的开口端，并通过法兰1-6将其箍紧并固定在圆柱凸台1-5上。在圆柱凸台1-5外边缘和金属圆柱状缓冲外壳内壁之间设置“o”型密封圈进行密封，防止封闭空腔1-4内部气体从金属圆柱状缓冲外壳与底座1-2之间泄漏。
43.本实施例中，上述法兰1-6分为左右两部分，其内径略大于金属圆柱状缓冲外壳的外径，通过螺栓和密封圈等，将金属圆柱状缓冲外壳固定在底座1-2上，并保证密封。
44.本实施例中，气体发生装置1-3为一种现有的气体发生器，其可通过化学反应，在极短的时间(ms量级)内产生一定量的气体，增加封闭空腔1-4内部的气体压力。气体发生装置1-3包括雷管和电弧击发装置，雷管内一般填充叠氮化钠和硝酸钾的混合物或仅填充黑火药，电弧击发装置能够在控制单元3的控制下向雷管施加电弧，以引爆雷管，从而产生气体，调节封闭空腔1-4内部气压。气体发生装置1-3的性能参数有响应时间τ和产生气体的摩尔数m。
45.本实施例中，气体发生装置1-3可以设置单个或多个，当气体发生装置1-3设置单个时，可通过控制单元3控制气体发生装置1-3的气体释放量。当气体发生装置1-3设置有多个，所有气体发生装置1-3在圆柱凸台1-5的轴向端面均匀分布；此种情况下，每个气体发生装置1-3的气体释放量相同，任意一气体发生装置1-3均与控制单元3通讯连接，控制单元3能够根据碰撞信息触发单个或多个气体发生装置1-3，以释放合适量的气体。
46.本实施例中，缓冲吸能单元1还包括泄压装置，泄压装置设置于底座1-2上或柱状缓冲外壳1-1的侧壁，考虑到柱状缓冲外壳1-1的封闭端需要承受撞击力并变形，所以泄压装置可以设置在柱状缓冲外壳1-1上靠近底座1-2的位置，即设置在柱状缓冲外壳1-1的开口端侧壁。上述泄压装置能够感知和释放封闭空腔1-4内部气压，泄压装置与控制单元3通讯连接。实际操作中，泄压装置可包括排泄阀和气压传感器两部分分体设置的结构，气压传感器设置于柱状缓冲外壳1-1内用于感知封闭空腔1-4内部气压，排泄阀则用于在封闭空腔1-4内部气压超过预设值时进行气压排泄。泄压装置也可采用一体结构布置，即采用现有具有气压感知功能的安全泄压阀1-7，底座1-2上开设有能够连通封闭空腔1-4与外部的通孔1-8，安全泄压阀1-7设置于通孔1-8内。在本实施例具体方案中，泄压装置优选采用具有气压感知功能的安全泄压阀1-7；通孔1-8开设于底座1-2中心，其贯穿圆柱凸台1-5的中心设置，通孔1-8与圆柱凸台1-5和底座1-2同轴布置。基于上述结构，气体发生装置1-3可设置在通孔1-8的周围，并围绕通孔1-8呈圆周均匀分布，形成环形气体发生器阵列，环形气体发生器阵列中每个气体发生装置1-3均通过电缆连接到外部的控制单元3。气体发生装置1-3的具体设置数量可以根据实际需要而定。
47.本实施例中，缓冲吸能单元1可设置有多个，任意一缓冲吸能单元1的气体发生装置1-3和安全泄压阀1-7均与控制单元3通讯连接。实际操作中，缓冲吸能单元1单排布置或多排布置。
48.本实施例中，控制单元3是整个缓冲吸能装置的控制模块，每一个气体发生装置1-3均通过独立的电缆与其通讯连接。在收到即将发生的碰撞信息(如撞击物的碰撞速度v0、碰撞对象(即撞击物)质量m等)后，根据一定的控制逻辑，发出控制信号，触发气体发生装置1-3发挥作用，从而实现对缓冲吸能装置吸能特性的分级控制。上述“控制逻辑”可由多种实现方式，其中一种可行的控制逻辑如下：
49.1)首先，根据撞击条件确定所需要吸收的总动能
50.2)根据缓冲吸能单元1的数量n，确定单个缓冲吸能单元1所需要吸收的总能量其中η为吸能系数，表征缓冲装置所需要承担的吸能比例。通常η取0.8，速度较高时可适当降低。
51.3)根据单个气体发生装置1-3所产生的气体量和金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)的体积，给出不同数量气体发生装置1-3作用后该缓冲吸能单元1的最大能量吸收en。设有n个气体发生装置1-3发生反应(n＝0，1，2......)，每个气体发生装置1-3生成气体的摩尔数为m，则
52.53.其中，λ为压缩行程效率，一般可取0.75，k为内压增强系数，一般可取1.2，a为金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)截面积，pa为大气压，fm为金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)的平均压溃载荷，pn为n个气体发生装置1-3反应后内部压力，分别有以下公式计算：
[0054][0055][0056]
其中，p0为金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)初始内压。
[0057]
4)根据上述计算方法，可确定所需起爆的气体发生装置1-3的数量n，使得en》e0，且e
n-1
《e0。通过控制单元3产生起爆信号，触发气体发生装置1-3作用，从而完成对缓冲吸能装置缓冲吸能性能的调控。
[0058]
控制单元3在运行上述“控制逻辑”时，需要与传感单元2配合使用，该传感单元2优选为碰撞传感器。当传感单元2探测到碰撞即将发生时，会将碰撞信息(如碰撞速度、质量和能量等)发送给控制单元3，后者根据碰撞信息和上述的控制逻辑，确定需要启动气体发生装置1-3的数量。然后，向相应数量的气体发生装置1-3发出触发信号，使其产生反应，在碰撞发生前生成一定量的气体。根据上述控制逻辑原理可知，缓冲吸能单元1可凭借金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)提供基本的吸能效应，在此基础上再通过起爆不同数量的气体发生装置1-3，实现对缓冲吸能单元1吸能特性的快速、分级调控。其中的“分级”主要是由气体发生装置1-3的起爆数量决定，比如，缓冲吸能单元1内仅需要起爆一个气体发生装置1-3时，可以称之为“一级调控”，需要起爆两个气体发生装置1-3时，可以称之为“二级调控”，以此类推。一般情况下分级调控的定义如下：起爆气体发生装置1-3的数量越多，其调控级别越高。
[0059]
在碰撞发生时，金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)内的压力已由初始压力p0，提高到了pn。在碰撞载荷的作用下，金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)发生轴向渐进式压溃变形。同时，随着压缩行程的不断增加，金属圆柱状缓冲外壳(即柱状缓冲外壳1-1)的轴向长度变小，内部气体的压力而不断提高，直到将冲击动能完全吸收，从而实现对乘员或仪器设备的保护。
[0060]
综上所述，本实施例的缓冲吸能装置实质为一种吸能特性快速可控的缓冲吸能装置，其可实现对缓冲吸能行为的快速调控。其设计点主要体现在以下三个方面：(1)利用封闭的薄壁圆柱(即柱状缓冲外壳1-1)作为基本吸能结构，通过其渐进式压溃变形模式，实现基本的缓冲吸能作用，同时为内部气体提供封闭空间；(2)设置了安全泄压阀，能够有效地释放薄壁圆柱(即柱状缓冲外壳1-1)内部气体压力，从而避免薄壁圆柱(即柱状缓冲外壳1-1)因内压过高而发生爆炸；(3)设计了由多个气体发生装置1-3组成的气体发生器阵列，可根据实际需要选择气体发生装置1-3的起爆数量，使得该缓冲吸能装置的能量吸收能够在基本吸能特性的基础上，进行多级调控，且响应速度快，稳定可控，是实现该吸能装置可控的核心。
[0061]
本实施例的缓冲吸能装置，通过在碰撞事故发生前对碰撞条件的感知，合理地控
制吸能装置的吸能特性，达到优化碰撞过程，实现对乘员或设备的最佳保护。与传统吸能结构或装置相比，本实施例的显著优点如下：
[0062]
1)吸能性能可控：能够根据实际撞击条件快速调节结构内部的气体压力，从而控制吸能结构的冲击反力和能量吸收，在有限的条件下尽可能吸收更多冲击能量的同时降低冲击载荷，以实现能量吸收行为的最优化。
[0063]
2)响应速度快：采用的气体发生器能够在数毫秒(ms)时间内快速反应，并产生一定数量的气体，改变薄壁圆柱壳(即柱状缓冲外壳1-1)内部的气压，调整装置的能量吸收特性。
[0064]
3)可实现能量吸收的半自适应性：能够与传感单元、控制单元等共同组成半自适应的缓冲吸能系统，为能量吸收的智能化和自适应性提供手段。
[0065]
4)具备模块化功能：每个缓冲吸能单元1均可作为基本吸能结构单元，通过不同数量缓冲吸能单元1的模块化组合得到不同吸能性能的可控式吸能装置，可为自适应吸能系统和吸能行为的智能化提供基础。
[0066]
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0067]
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。