[发明专利]一种复合材料Origami吸能折叠管

说明书

本发明涉及一种复合材料Origami吸能折叠管，由从高度方向依次连接成一体的至少一个Origami预折纹模组组成，所述Origami预折纹模组采用包括复合材料在内的材料铺层叠合而成。与现有技术相比，本发明通过将Origami预折纹引入到复合材料圆管中，从材料铺层和几何结构设计两个层面进行改进，得到的复合材料Origami折叠吸能管具有低冲击支反力波动和高比吸能等吸能特性，市场应用前景广阔。

技术领域

本发明属于吸能折叠管技术领域，涉及一种复合材料Origami吸能折叠管。

背景技术

世界卫生组织的一份报告(2015)指出，每年约有120万人死于交通事故并造成多达5000万人受伤。此外，据预测，由于汽车市场的扩张，特别是在欠发达国家，道路交通伤害可能是到2020年导致疾病和伤害的第三大原因。除了对人类造成严重伤害之外，一旦发生撞击，往往会对所涉车辆的结构和周围环境造成灾难性损害。最常见方法是在结构中安装能量吸收装置，该装置设计用于在事故期间将动能全部或部分地转换成另一种形式的能量，从而使得重要的结构受到的冲击得到缓解。薄壁直管是最常用的能量吸收装置，主要分为金属薄壁直管和复合材料薄壁直管两种类型，其中当直管的截面为圆形时，能吸收最多的碰撞能量。

但是，薄壁圆管一直没有被大量运用的最主要因素就是高吸能的同时也存在很大的初始冲击的支反力波动，在碰撞过程中，这些支反力的波动都会直接转移到被保护的结构和乘客上。为了解决这个问题，世界各地的科学家进行了大量的研究，其中以Origami预折纹和金属圆管相结合的方式效果最佳，不仅使初始冲击的支反力波动大大减小，同时也能维持其相应的能量吸收不变甚至达到更高的水平。但金属管的比吸能(单位质量的能量吸收)却远低于复合材料圆管，这主要是受制于金属材料和复合材料的密度差异，因此在如今节能减排和追求轻量化的趋势下，能否提出一种复合材料吸能管的设计方法来解决这一问题至关重要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种复合材料Origami吸能折叠管，通过将Origami预折纹引入到复合材料圆管中，从材料铺层和几何结构设计两个层面进行改进，得到的复合材料Origami折叠吸能管具有低冲击支反力波动和高比吸能等吸能特性，市场应用前景广阔。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种复合材料Origami吸能折叠管，由从高度方向依次连接成一体的至少一个Origami预折纹模组组成，所述Origami预折纹模组采用包括复合材料在内的材料铺层叠合而成。

在本发明的一个具体的实施方式中，所述Origami预折纹模采用复合材料与复合材料、或复合材料与金属材料的铺层叠合而成。

在本发明的一个具体的实施方式中，所述复合材料采用碳纤维和/或凯夫拉纤维。

更具体的实施方式中，当复合材料采用碳纤维和凯夫拉纤维时，两者的混合铺层数的比为1：1。实验结果表明，纯碳纤维Origami折纹管虽然各方面吸能特性都超越了传统碳纤维圆管，但是碳纤维杨氏模量较高而且为脆性材料较容易发生脆性破坏，吸能效果不稳定；纯凯夫拉纤维Origami折纹管和传统圆管相比拥有较低的支反力波动幅度同时具有更高的抗冲击效率，但也具有较低的能量吸收的缺点，主要是因为凯夫拉纤维为延展性材料虽然有较大的断裂应变但杨氏模量偏小。所以通过这两种材料的混合来弥补单一材料的折叠管的性能缺陷。此外，通过研究发现，当两种纤维的混合比例接近1:1时，能得到最好的吸能效果。