энергопоглощающее устройство

Формула изобретения

Энергопоглощающее устройство, содержащее корпус, выполненный в виде замкнутой камеры, заполненной деформируемыми элементами, отличающееся тем, что деформируемые элементы представлены в виде совокупности пустотелых незамкнутых элементов из материала, имеющего прочность меньшую или равную прочности материала корпуса, и стеклянных полых микросфер, при этом внутренние объемы замкнутой камеры и пустотелых элементов заполнены стеклянными полыми микросферами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для поглощения кинетической энергии при интенсивном динамическом нагружении конструкции. Может быть использовано в различных областях техники для снижения до безопасных величин уровня динамического воздействия, а также для обеспечения конструктивной целостности защищаемого объекта при ударных воздействиях, в том числе высокоскоростных (до 100 м/с), например при перевозках автомобильным, железнодорожным, авиационным видами транспорта, при десантировании грузов, в конструкциях мобильных систем (ударостойких контейнеров и упаковок), в строительстве защитных сооружений и т.д.

Существующие конструкции энергопоглощающих устройств обеспечивают сохранность защищаемого объекта при аварийных ситуациях со скоростями воздействия до 10...15 м/с. Перегрузки, действующие на элементы конструкции упакованного груза при высокоинтенсивных аварийных нагружениях, например в случаях лобового столкновения автомобильного и железнодорожного транспорта или в авиационных катастрофах, превышают предельно допустимые нормы безопасности. Высокие уровни воздействия требуют создания защитных устройств, более эффективно преобразующих энергию удара во внутреннюю энергию деформации.

В качестве аналога принят амортизатор, описанный в авторском свидетельстве СССР №194477 от 30.03.67 г. [1]. Рассматриваемый амортизатор представляет собой тонкостенную сферическую оболочку с наполнителем. С целью повышения энергоемкости и получения высокого гистерезиса оболочка выполнена из пластичного металлического сплава, например АМг6, а наполнитель - из жесткого пористого материала, например пенопласта.

К недостаткам аналога следует отнести относительно низкую удельную энергоемкость, обусловленную послойным характером деформирования амортизатора и наполнителя, что не обеспечивает эффективной защиты объекта при высокоскоростных динамических воздействиях.

В качестве прототипа принят предохранительный буфер для транспортного средства, описанный в заявке Великобритании №2286160 от 04.02.94 г. [2]. Предохранительный буфер, предназначенный для установки в задней части транспортного средства, содержит большое число алюминиевых банок из-под напитков, которые размещены внутри корпуса, армированного лентами, удерживающими корпус от перемещения наружу даже при столкновении. Банки могут быть размещены различными способами, например с расположением их осей параллельно направлению движения, поперек направления движения, комбинированным способом или хаотично. Могут быть использованы банки различных размеров, которые могут быть смяты перед использованием. Банки могут быть упакованы в полиэтиленовую пленку или залиты вспененным материалом.

Недостатками данной конструкции являются:

- низкая удельная энергоемкость системы алюминиевых банок вследствие того, что при динамическом воздействии первоначально деформируются банки, прилегающие к месту приложения удара, и лишь затем последовательно остальные банки;

- громоздкость конструкции.

Задачей настоящего изобретения является повышение удельной энергоемкости энергопоглощающего устройства с целью снижения динамических нагрузок, в том числе и высокоскоростных (до 100 м/с), на охраняемый объект до безопасных величин при уровнях воздействий, значительно превышающих уровни, определенные требованиями МАГАТЭ.

Технический результат выражается в повышении удельной энергоемкости энергопоглощающего устройства за счет более рационального преобразования кинетической энергии внешнего воздействия в энергию совместного деформирования максимального объема оболочки и наполнителя, а также воздействия наполнителя как несжимаемой жидкости на оболочку наружного корпуса, вызывающего ее растяжение.

Технический результат достигается тем, что энергопоглощающее устройство содержит корпус в виде замкнутой камеры, заполненный деформируемой композицией, которая представляет собой сыпучую совокупность пустотелых незамкнутых элементов, изготовленных из материала, имеющего прочность меньшую или равную прочности материала корпуса и стеклянных полых микросфер. При этом внутренние объемы замкнутой камеры и пустотелых элементов заполнены стеклянными полыми микросферами.

Выполнение деформируемой композиции в виде совокупности пустотелых незамкнутых элементов и стеклянных полых микросфер позволяет использовать эффект совместного объемного деформирования внешней оболочки, пустотелых незамкнутых элементов и стеклянных полых микросфер, при этом в процесс поглощения энергии вовлекается больший объем стеклянных полых микросфер, чем без использования пустотелых незамкнутых элементов, кроме того, при перетекании стеклянных полых микросфер, ведущих себя как псевдожидкость, дополнительно возникают силы трения и силы, воздействующие на оболочку наружного корпуса. Все вышеперечисленные физические эффекты позволяют увеличить удельную энергоемкость предлагаемой конструкции. Выполнение пустотелых незамкнутых элементов из материала, имеющего прочность меньшую или равную прочности материала корпуса, позволяет более рационально перераспределить нагрузку по всему объему и сохранить целостность конструкции оболочки наружного корпуса.

В качестве примера конкретного исполнения энергопоглощающего устройства рассмотрим следующую конструкцию.

На чертеже изображен продольный разрез энергопоглощающего устройства, где:

1. Корпус устройства.

2. Пустотелые элементы.

3. Полые стеклянные микросферы.

В представленной конструкции корпус 1 выполнен в виде замкнутой камеры из пластичного материала, например алюминиевого сплава АМг6.

Наполнитель представляет собой пустотелые незамкнутые элементы 2 (полые мелко нарезанные трубки малого диаметра), изготовленные также из пластичного материала с прочностью не больше прочности материала корпуса, например из того же сплава АМг6. Кроме этого, все внутренние объемы пустотелых незамкнутых элементов 2 наполнителя и замкнутой оболочки корпуса 1 заполнены полыми стеклянными микросферами 3.

Принцип действия энергопоглощающего устройства основан на эффективном преобразовании кинетической энергии воздействия (столкновения или удара) во внутреннюю энергию деформирования максимального объема элементов устройства.

Работает устройство следующим образом.

Под действием ударной нагрузки первоначально происходит упругопластическая деформация корпуса 1 устройства, которая гасит часть кинетической энергии удара. Затем в процесс деформирования включаются хаотично расположенные в замкнутой оболочке незамкнутые полые элементы 2 (трубки малого диаметра из пластичного материала). В результате деформации и разрушения трубочек и занимающих все свободные полости трубочек и оболочки стеклянных полых микросфер 3 происходит объемное поглощение энергии. Одновременно с разрушением полые микросферы перетекают подобно несжимаемой жидкости, оказывая давление на замкнутую оболочку, что также увеличивает эффективность энергопоглощения устройства в целом. Таким образом, заявляемый технический результат достигается за счет рационального использования, помимо энергии деформации и разрушения самого наполнителя, эффекта воздействия наполнителя как несжимаемой псевдожидкости на оболочку энергопоглощающего элемента и дополнительного поглощения кинетической энергии за счет сил трения и растяжения этой оболочки, что позволяет существенно повысить удельную энергоемкость устройства. Выполнение пустотелых незамкнутых элементов из материала, имеющего прочность меньшую или равную прочности материала корпуса, позволяет более рационально перераспределить нагрузку по всему объему и сохранить целостность конструкции оболочки наружного корпуса.

Конструкция отличается высокой способностью поглощения удара, является технологичной, простой в изготовлении, удобной при установке и эксплуатации, в результате чего может быть использована в переносных (мобильных) установках.

Были изготовлены опытные образцы энергопоглощающего устройства, которые опробовались в реальных процессах, связанных с динамическим нагружением охраняемого груза, что подтвердило эффективность заявляемого решения.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №194477 от 08.12.65. «Амортизатор», МПК F 06 F, опубл. 30.03.67, авторы Х.С. Блейх, В.А. Новиков, В.К. Шаврин.

2. Патент Великобритании №2286160 от 04.02.94 «Предохранительный буфер для транспортного средства», МПК B 60 R 19/00, опубл. 09.08.95, автор - Myers Frank.