ES2313270T3 - Estructuras macro-celulares para la absorcion de energia y procedimiento de fabricacion de tales estructuras. - Google Patents
Estructuras macro-celulares para la absorcion de energia y procedimiento de fabricacion de tales estructuras. Download PDFInfo
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Abstract
Estructura para absorber la energía durante un choque, por deformación plástica, que comprende un ordenamiento de una pluralidad de láminas metálicas deformadas, dichas láminas estando constituidas por una pluralidad de fibras interconectadas que definen mallas (1), la materia metálica presentándose en forma de correas esencialmente unidas al nivel de los extremos superiores de cada malla (1), llamados nudos (2), caracterizada porque dichas láminas metálicas conformadas y ordenadas realizan una red regular de macro-células (4), delimitadas al menos parcialmente por caras (5), dichas macro-células (4) estando configuradas para permitir al menos a una de dichas mallas (1) volver a cerrarse al menos parcialmente sobre ella misma y/o al menos a una de dichas caras (5) aproximarse al menos parcialmente a una o varias otras caras (5), durante dicha deformación plástica.
Description
Estructuras macro-celulares para
la absorción de energía y procedimiento de fabricación de tales
estructuras.
La presente invención se refiere a la
realización de espumas macro-celulares y a la
utilización de éstas en forma de estructuras que absorben la
energía por deformación plástica.
La invención concierne igualmente el
procedimiento de fabricación de tales estructuras.
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Resulta conocido que el concepto de absorción de
energía es utilizado en numerosos campos y en particular en el
"crash" de automóvil, la protección contra la explosión, la
protección de estructuras, la protección de personas,
etc.
etc.
Existen varias grandes categorías en las
soluciones de estructuras que permiten absorber la energía:
- -
- aquellas que trabajan por pérdida de carga de fluido;
- -
- aquellas que trabajan por fricción de materiales;
- -
- aquellas que trabajan por efecto inercia;
- -
- aquellas que trabajan por deformación.
En la última categoría, la energía es absorbida
por deformación de la materia. Esta deformación puede ser elástica,
es decir con retorno a su lugar durante la descarga, o plástica, las
deformaciones permanecen sin cambios durante la descarga.
Estas deformaciones son obtenidas por extensión,
compresión o flexión de la materia. Las mismas pueden igualmente
ser obtenidas por doblado local del material utilizado.
Se conocen las estructuras de nido de abeja como
las descritas por ejemplo en las patentes
US-A-6,472,043,
GB-A-2 323 145,
FR-A-2 251 773,
US-A-4, 352,484,
US-A-6, 472,043. Todos estos
documentos, que conciernen igualmente al procedimiento de
fabricación de tales estructuras, están basados en una estructura de
nido de abeja mejorada, es decir que presenta una formación de
agujeros o de ranuras para impedir la aparición de un pico de
choque. Las espumas de polímeros frecuentemente incorporadas en
este tipo de estructura presentan la desventaja de ser inflamables
y de perder sus características prematuramente, mientras que la
realización de agujeros y ranuras resulta complicada y costosa.
Además, en los nidos de abeja pegados, se presenta el problema del
envejecimiento del adhesivo con el paso del tiempo.
Además, las estructuras de absorción de choques
constituidas por nidos de abeja metálicos, contrariamente a las
estructuras constituidas por nidos de abeja de cartón o de polímero,
solo pueden deformarse plásticamente si se les imponen tensiones
fuertes. Esto es debido al hecho de que el límite de elasticidad de
los metales es elevado. Para que la estructura de nidos de abeja
metálica sea capaz de deformarse plásticamente bajo tensiones más
débiles, es posible aumentar la longitud de las paredes del nido de
abeja. Sin embargo, más allá de una cierta longitud, para un
espesor de pared dado, aparecen problemas de inestabilidad local de
la estructura de absorción (deformación lateral por una compresión
axial, deformación por descentrado). Igualmente es posible reducir
la longitud y hacer menos espesas las paredes del nido de abeja; sin
embargo este tipo de estructura se hace difícil de fabricar, y esto
presenta problemas de productividad.
Se conoce alternativamente la utilización de
espumas metálicas que permiten también una buena absorción de
energía. Estas espumas con aspecto de esponjas están constituidas
por micro-células (algunos mm típicamente) que
permite el aplastamiento de la estructura. La absorción está de
nuevo basada en la deformación de la materia. El inconveniente
mayor de estas estructuras es su fabricación que, debido a que es
difícilmente dominable, no permite obtener una estructura
homogénea. Además, al ser costosa su fabricación, su utilización
puede difícilmente ser considerada en el campo de la construcción.
Esas patentes hacen referencia a este tipo de material, como por
ejemplo la solicitud de patente
US-A-2005/136 282 que describe una
estructura metálica compuesta que comprende dos chapas metálicas
unidas por una parte central constituida por espuma metálica. Esta
estructura compuesta es utilizada como material de absorción de
energía.
Por otra parte, la solicitud de patente
EP-A-0 517 377 describe una barrera
absorbente de choques para vehículo, por deformación plástica,
constituida por una pluralidad de cilindros de metal desplegado,
incorporados los unos en el interior de los otros, concéntricos o
excéntricos. Los diferentes cilindros son interdependientes por
soldaduras de tapas que funcionan como bases. La estructura es
reforzada por un llenado de espuma, que evita la deformación
lateral por compresión axial. El eje de cada cilindro es
perpendicular, ya sea a la gran diagonal, ya sea a la pequeña
diagonal de la malla de metal desplegado. La finalidad buscada es
obtener una gradación en la rigidez axial de los diferentes
cilindros de manera tal que una sección más por delante tienda a
aplastarse durante un choque antes que las secciones más por detrás.
Además, el sistema comprende gatos-tensores axiales
soldados en el cilindro más exterior. Durante un choque, las láminas
de metal desplegado conservan esencialmente una estructura
bi-dimensional, no obstante algunas mallas 2D del
metal desplegado pueden volver a cerrarse sobre ellas mismas. Un
problema principal de este tipo de estructura reside en la
durabilidad incierta y la inflamabilidad de las espumas
incorporadas.
incorporadas.
La solicitud internacional
WO-A-99/39939 divulga un ensamblaje
absorbedor de energía destinado a ser montado en un vehículo y
concebido para desacelerar un objeto que entra en colisión con este
ensamblaje. El elemento absorbente comprende una placa de metal
desplegado doblada en zigzag, dispuesta para que las mallas de
metal desplegado sean esencialmente perpendiculares a una placa que
representa la superficie de impacto, a la cual dicha placa está
unida. El doblado es efectuado perpendicularmente a la gran diagonal
de las células 2D de metal desplegado, los dobleces son igualmente
perpendiculares a la placa de unión. La altura de la estructura es
de algunas mallas (de 1 a 5 mallas). La estructura puede contener un
material de llenado, como una espuma de polímero, por
ejemplo.
ejemplo.
La absorción de energía se hace por deformación
plástica, es decir por cierre de las mallas 2D. La desventaja
reside sobre todo en el carácter anisotrópico de la absorción de
energía de la estructura, y en su débil capacidad de absorber la
energía debido a que la deformación máxima de la estructura es
limitada.
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La presente invención apunta a proporcionar una
solución que permita eliminar los inconvenientes del estado de la
técnica.
La invención tiene en particular por objetivo
proponer un nuevo tipo de estructura que absorba la energía por
deformación plástica, capaz de deformarse de manera significativa en
las tres dimensiones principales o una combinación de esas tres
dimensiones bajo el efecto de un choque bajo débiles tensiones sin
problema de inestabilidad. De acuerdo con la invención, se entiende
por débil tensión, una tensión inferior a 5 MPa.
Una finalidad también buscada por la invención
consiste en proporcionar una estructura a la vez ligera y rígida
que presente una resistencia mejorada a la deformación por
descentrado y a la deformación lateral por compresión axial, es
decir que permita eliminar los problemas de inestabilidad.
Una finalidad adicional de la invención es
proporcionar una estructura que absorba la energía que es
ininflamable y que no envejezca de manera prematura en el tiempo, es
decir que presente una durabilidad superior a 5 años.
Una finalidad también adicional de la invención
consiste en proporcionar una estructura esencialmente metálica a
tensión variable, es decir que pueda ser modulada para adaptarse
tanto a tensiones fuertes, como a tensiones mucho más débiles,
según el tipo de aplicación, o aún una estructura con fuerza de
aplastamiento creciente. De acuerdo con la invención, se entiende
por tensión fuerte, una tensión superior a 20 MPa.
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La estructura de acuerdo con la invención es
definida de acuerdo con los términos de la reivindicación 1. Así,
la estructura de acuerdo con la invención comprende un ordenamiento
de una pluralidad de láminas metálicas deformadas, dichas láminas
metálicas están constituidas por una pluralidad de fibras
interconectadas que definen mallas, la materia metálica se presenta
en forma de correas esencialmente unidas al nivel de los extremos
superiores de cada malla, llamadas nudos. De acuerdo con la
invención, estas láminas metálicas conformadas y ordenadas realizan
una red regular de macro-células, con dimensión
característica del orden del centímetro o de la decena de
centímetros, delimitadas al menos parcialmente por caras. Dichas
macro-células están configuradas para permitir al
menos a una de dichas mallas volver a cerrarse al menos parcialmente
sobre ella misma o pivotar y/o al menos a una de dichas caras
aproximarse al menos parcialmente a una o varias otras caras,
durante dicha deformación
plástica.
plástica.
Así, no se encuentra una estructura tal
repetitiva en tres dimensiones en el estado de la técnica, en
particular en el documento
WO-A-99/39939.
La estructura de acuerdo con la invención
conviene particularmente a la protección de las personas en caso de
accidente, por ejemplo de automóvil, de avión o aún en caso de
explosión. En efecto, para preservar la integridad física de los
ocupantes de un vehículo durante un choque, absolutamente hay que
evitar someterlos a una desaceleración demasiado significativa.
Esto limita por consiguiente la fuerza de retención de la estructura
de absorción de choques puesta en práctica. Ahora bien la tensión
admisible por la estructura es inversamente proporcional a la
superficie de impacto de la estructura. Así, si la superficie de
impacto es significativa, la estructura deberá ser capaz de
deformarse bajo tensiones débiles, en cambio si la superficie de
impacto es débil, la estructura deberá imponer tensiones elevadas.
Las estructuras de absorción de choques que se tratan en la
presente invención son de grandes dimensiones, y son destinadas a
fabricar por ejemplo (ver reivindicación 27):
- -
- protecciones fijas montadas en las inmediaciones de los peajes y de las intersecciones de carreteras,
- -
- protecciones de pilares de puente,
- -
- protecciones fijadas en vehículos terrestres de motor, tales como camiones, vehículos de intervención en carretera.
Estas deben por consiguiente ser capaces de
deformarse plásticamente a la vez bajo tensiones fuertes y bajo
tensiones débiles.
La estructura de acuerdo con la invención
presenta además la ventaja de ser rígida y relativamente
isótropa.
Formas de ejecución preferidas de la presente
invención son descritas en las reivindicaciones subsidiarias 2 a 19
y 24, 25.
Un segundo objeto de la presenta invención,
enunciado en las reivindicaciones 20 a 23 y 26, concierne a un
método de fabricación que conviene muy particularmente para la
realización de la estructura precitada.
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La figura 1 representa esquemáticamente un
fragmento de "lámina celular", vista de frente, con
localización de rótulas plásticas.
La figura 2 representa esquemáticamente una
célula o malla de la lámina según la figura 1.
La figura 3 representa esquemáticamente una
macro-célula 3D de acuerdo con la invención. Esta
macro-célula está compuesta por 6 caras, la
longitud de cada una de las caras está medida según la dimensión
d1.
La figura 4 representa esquemáticamente una red
de macro-células 3D.
La figura 5 representa esquemáticamente
diferentes conformaciones de láminas de metal desplegado, vistas
desde arriba.
La figura 6 representa esquemáticamente los
principales parámetros de la conformación de dos láminas de metal
desplegado ensambladas, vistas desde arriba.
La figura 7 representa gráficamente las tres
posibilidades de comportamiento de una estructura de absorción
durante un aplastamiento.
La figura 8 muestra gráficamente los resultados
de dos pruebas sobre dos estructuras diferentes de acuerdo con la
invención, siendo constante la fuerza de aplastamiento durante la
duración del aplastamiento.
La figura 9 muestra esquemáticamente la
obtención de una fuerza de aplastamiento creciente por la puesta en
serie de diferentes estructuras de acuerdo con la invención.
La figura 10 muestra esquemáticamente una
estructura a tensión variable.
La figura 11 representa una esquematización de
dobleces localizados para estabilizar la estructura de metal
desplegado.
La figura 12 representa esquemáticamente una
lámina de metal desplegado deformada previamente para evitar la
deformación por descentrado.
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A fin de producir una estructura metálica de
tres dimensiones, se conforman varias láminas metálicas
constituidas por una pluralidad de fibras interconectadas, que
definen células, metal desplegado y se les ensambla, por ejemplo
por soldadura por resistencia. Las láminas metálicas son
seleccionadas entre las láminas de metal desplegado, las láminas
perforadas, y las láminas en forma de enrejado o de reja. La
invención descrita más adelante está basada en la reconstitución de
espuma metálica a partir de productos planos ("láminas"). En la
continuación de la descripción, las células cerradas de dos
dimensiones que constituyen la lámina metálica serán llamadas
"mallas". Las células con tres dimensiones que realizan la
estructura de acuerdo con la invención serán llamadas
"macro-células", este término proviniendo del
hecho de que el tamaño de estas células 3D es relativamente
significativo, típicamente del orden del centímetro o de la decena
de centímetros, de preferencia comprendido entre 0,5 y 15 cm y
ventajosamente comprendido entre 1 y 10 cm.
En efecto, por debajo de un tamaño de
macro-célula de 0,5 mm, el doblado de las láminas
metálicas se hace difícil y costoso, y el ensamblaje, por ejemplo
por soldadura, es difícil. En el lado opuesto, por encima de un
tamaño de 15 cm, aparecen los problemas de inestabilidad de la
estructura (deformación por descentrado).
En un modo de realización preferido de la
invención, se realiza la estructura de absorción utilizando un
ensamblaje de láminas de metal desplegado que son conformadas y
ensambladas para formar una red de macro-células.
La lámina de metal desplegado es un producto metalúrgico bien
conocido utilizado en numerosas aplicaciones tales como tableros
arquitectónicos, pasarelas y pasos para peatones, escaleras,
rejillas, vallas, elementos de seguridad y refuerzo, etc. Es un
producto durable, poco costoso, fácil de manipular, que se presenta
en numerosas formas y en numerosas composiciones metálicas, en
particular matices de acero variados, etc. Es realizado mediante el
paso de una lámina metálica por una prensa donde son realizadas, por
corte, ranuras transversas que son estiradas durante el
corte.
corte.
Además de las láminas de metal desplegado, por
supuesto se pueden utilizar láminas de metal perforadas que
tendrían un comportamiento similar al de una lámina de metal
desplegado o cualquier otro material metálico compuesto por una
pluralidad de fibras interconectadas para formar mallas como por
ejemplo láminas en forma de enrejados o rejas.
La geometría de las mallas de la lámina metálica
es variable. En efecto, el despliegue de una lámina metálica, o la
perforación de una lámina metálica permiten formar mallas que
presentan diferentes geometrías. Así, las mallas podrán tener la
forma de un cuadrado, de un rectángulo, de un rombo, o incluso de un
hexágono. Los parámetros de una malla hexagonal de una lámina
metálica son respectivamente la "correa" (A), el espesor (B),
la pequeña diagonal (CD), la gran diagonal (LD), así como el ángulo
de abertura de la malla 1 (figura 2).
Las estructuras de acuerdo con la invención son
realizadas a partir de láminas realizadas en aluminio, en acero al
carbono o en acero inoxidable. En el caso de utilización de acero al
carbono, este es de preferencia revestido por un revestimiento
metálico y/o por un revestimiento orgánico tal como una pintura que
permita asegurar una buena protección contra la corrosión del
acero. Los revestimientos metálicos son seleccionados entre los
revestimientos de zinc, de aluminio, de cobre o una de sus
aleaciones.
La estructura de acuerdo con la invención puede
ser realizada utilizando láminas de metal desplegado, láminas
perforadas, láminas en forma de enrejados o de rejas de acero ya
pre-revestidos por un revestimiento metálico y/o
orgánico antes del ensamblaje de las láminas. Sin embargo, para
asegurar una mejor conservación a la corrosión de la estructura, es
preferible proceder al revestimiento de ésta cuando la técnica de
moldeado y el ensamblaje de las diferentes láminas entre ellas han
sido realizados. Así, por ejemplo, es posible sumergir directamente
la estructura en un baño de galvanización o un baño de
electro-protección con zinc para revestirla con un
revestimiento de zinc o de aleación de zinc. Esta última solución es
más ventajosa en este sentido, debido a que las láminas de acero
pre-revestido no están protegidas en su parte.
La finalidad buscada al utilizar una lámina de
metal desplegado o perforado, o también en forma de enrejado o de
reja es inicialmente obtener mallas, por ejemplo hexagonales (2D)
como es representado en el modo de realización de la invención de
la figura 1, que podrán "volver a cerrarse" sobre ellas mismas
por realización de rótulas plásticas 3 durante un choque.
El principio general en el que se basa la
invención consiste por consiguiente en volver a cerrar al menos
parcialmente cada una de las mallas 1 que sufren un choque, creando
rótulas plásticas 3 que disipan la energía durante un choque.
Se notará que, si la estructura es estirada en
lugar de comprimida, las rótulas 3 se forman igualmente en los
mismos sitios. La absorción de energía puede por consiguiente ser
realizada igualmente estirando globalmente la estructura. Existen
en particular aplicaciones en las que una estructura montada bajo el
suelo sufre la expansión durante un choque. Sin embargo, en la
mayor parte de las aplicaciones, la estructura será aplastada.
Se distinguen dos tipos de láminas de metal
desplegado: el tipo achatado y el tipo no achatado. La lámina de
metal desplegado es llamada achatada cuando la misma sufre una
operación de laminado después de un despliegue de la lámina
metálica. La estructura absorbente puede ser realizada con los dos
tipos de láminas de metal desplegado. La lámina de metal desplegado
achatada presenta la ventaja de ser más fácil de ensamblar mientras
que la lámina de metal desplegado no achatada es más rígida y por
consiguiente más estable.
Para que las mallas puedan volver a cerrarse
correctamente, hay que asegurar una cierta estabilidad en la lámina
de metal desplegado, perforada o en forma de enrejado o de reja. El
hecho de formar una estructura de tres dimensiones, llamada
"macro-celular", constituida por
macro-células 4, tal como está representada en la
figura 4, asegura esta función. En efecto, la lámina es hecha rígida
por la realización de dobleces de perfilado o de curvaturas durante
su conformación. En la forma de realización particular representada
en la figura 3, la macro-célula 4 tiene
esencialmente la forma de un prisma de base hexagonal, que presenta
seis caras laterales 5 constituidas a partir de láminas de metal
desplegado, cada cara 5 está constituida ya sea por 1, ya sea por 2
mallas en el sentido de la amplitud de la
macro-célula. Las caras son obtenidas por técnicas
de moldeado de una lámina de metal desplegado, de una lámina
metálica perforada o también de una lámina metálica en forma de
enrejado o de reja por ejemplo por doblado, perfilado en "U",
en triángulo, etc., o también por curvatura. Al referirse a la
macro-célula 4 representada en la figura 3, se
puede considerar que las caras laterales 5 son "cerradas",
mientras que las bases del prisma son totalmente abiertas, al no
estar "cerradas" por una cara física de metal desplegado.
Al repetir esta macro-célula
regularmente, en forma de una red, se obtiene una estructura
parecida a una espuma metálica (figura 4).
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La conformación de la lámina metálica
representada en la figura 3 es tal que se obtiene una lámina que
presenta un sección en forma de hexágono pero otras formas pueden
ser puestas en práctica. Se pueden por ejemplo utilizar las formas
descritas en la figura 5.
Otras realizaciones tales como formación de
secciones según triángulos, rombos, cuadrados, polígonos cualquiera
(con láminas perfiladas), elipses o sinusoides (con láminas
curveadas) son posibles. Se puede también utilizar una forma
compleja que estaría compuesta por varias formas de base citadas
anteriormente. Las macro-células 4 pueden tener
entonces en tres dimensiones la forma de esferas, cubos, pirámides,
poliedros, cilindros, etc., según las láminas estén dobladas
(perfilado) u onduladas (curvatura).
Varios parámetros intervienen en tal geometría,
como es representado esquemáticamente en la figura 6:
- -
- \beta: ángulo de doblado;
- -
- a, b, c: longitudes entre dobleces.
Todos estos parámetros tienen una influencia
sobre el comportamiento de la estructura cuando esta es aplastada.
Este comportamiento depende igualmente de los parámetros adicionales
siguientes:
- -
- geometría de la malla que se vuelve a cerrar (lámina de metal desplegado o perforada, en forma de rejas o de enrejados);
- -
- número de láminas ensambladas;
- -
- número de macro-células formadas;
- -
- longitud o más generalmente dimensiones de la estructura.
Los dobleces serán de preferencia realizados
entre dos mallas 1 (es decir al nivel de un nudo 2) por razones de
facilidad de fabricación y para permitir una mejor deformación de la
malla cuando esta se vuelve a cerrar. Sin embargo, se podría
realizar el doblez en cualquier posición entre dos nudos 2 (figura
1).
El comportamiento de la estructura de acuerdo
con la invención es variable según la dirección de impacto. Para
comprender cómo la estructura de acuerdo con la invención reacciona
y se deforma con los impactos, se va a recurrir a la figura 3.
La absorción de energía es óptima cuando la
estructura es aplastada siguiendo la dirección d1. La mayoría de
las mallas impactadas por el choque se vuelven a cerrar entonces
completa o parcialmente según la intensidad del choque. Sin
embargo, durante algunas pruebas, se ha podido notar que, si el
número de mallas entre dos dobleces es superior a 20, las mallas
pueden no volver a cerrarse correctamente. En estas condiciones,
algunas láminas en la estructura forman ondulaciones que disipan
igualmente energía, pero de manera menos eficaz que cuando las
mallas se vuelven a cerrar correctamente.
Durante un impacto en la dirección d1 en
combinación con otra dirección, la estructura disipa energía pero
de manera menos eficaz que cuando el impacto está en la dirección
d1. Las mallas se vuelven a cerrar parcialmente, pero de manera
menos homogénea que durante un impacto en la dirección d1. En los
dos casos, hay desmoronamiento al menos parcial de la
macro-célula sobre ella misma: su "volumen" se
reduce.
Además, en el caso en el que la malla presenta
una forma hexagonal, o incluso una forma de rombo y para un
comportamiento óptimo de la estructura de absorción de acuerdo con
la invención, es preferible disponer la gran diagonal de las mallas
de metal desplegado perpendicularmente en la dirección d1, por
consiguiente tal como es representado en la figura 3. Sin embargo,
en una forma de realización alternativa, la pequeña diagonal de las
mallas puede ser perpendicular a esa dirección d1, y en este caso la
disipación de energía es menor.
La estructura absorbe igualmente una cierta
cantidad de energía si esta es aplastada siguiendo las otras dos
direcciones (d2, d3), o también una combinación de estas dos
direcciones. En este caso, la deformación plástica no es
exactamente idéntica. La deformación se sitúa en los dobleces de
confluencia de las caras 5 de la macro-célula 4 y
las mallas de una misma cara 5 no se vuelven a cerrar, aunque
participan en el repliegue del conjunto de dicha cara 5. Además,
algunas caras 5 de las macro-células 4 se desmoronan
en ellas mismas, lo que las aproxima las unas a las otras. Aunque
la estructura esté menos bien concebida para este tipo de
aplastamiento, se puede considerar que la misma sea sometida
igualmente a este tipo de solicitud.
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Para las aplicaciones unidas a la seguridad de
las personas durante un accidente de tránsito, uno de los puntos
significativos a considerar durante la absorción de energía es la
supresión o la disminución del pico de choque. Al garantizar una
fuerza de aplastamiento constante, es decir directamente
proporcional a la desaceleración sentida por el ocupante del
vehículo, se garantiza a la vez la seguridad del ocupante y una
eficacia de absorción máxima de la estructura.
Si el pico de choque es superior al límite
autorizado (figura 7 - curva 6), la seguridad no está
garantizada.
Si el pico de choque es inferior al límite
autorizado (figura 7 - curva 7), la seguridad está garantizada pero
la energía absorbida, es decir el área bajo la curva, no es máxima
para un desplazamiento dado "d".
El mejor caso de figura es por consiguiente
tener un sistema cuya fuerza de aplastamiento sea constante e igual
al límite admisible (figura 7 - curva 8). La seguridad es entonces
garantizada y la energía absorbida es máxima para un desplazamiento
mínimo.
Una de las ventajas de la estructura de
absorción de acuerdo con la invención es que la misma permite
obtener tal aplastamiento bajo fuerza constate. La figura 8 muestra
el resultado de dos pruebas efectuadas en dos estructuras
diferentes, realizadas a partir de láminas de metal desplegado pero
que comprende completamente dos macro-células 4 con
prisma hexagonal en la dirección d1. Estas dos estructuras han
sufrido un impacto en la dirección d1. Se ve claramente en este
gráfico que la fuerza de aplastamiento es casi constante, y que la
estructura de acuerdo con la invención no presenta pico de
choque.
En el caso en el que se desee obtener una
tensión variable, basta con disponer de varias estructuras
individuales, una a continuación de la otra en la dirección de
impacto o de aplastamiento, teniendo cada una una tensión de
aplastamiento diferente a la precedente. Se puede entonces formar un
sistema que comprenda un apilamiento de estructuras individuales
que se aplasta con una tensión creciente con mitigaciones a medida
que se alejan de la superficie de impacto inicial (figuras 9 y 10).
La ausencia de pico de choque es de nuevo primordial en este caso
de
figura.
figura.
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En función de la elección de la malla de metal
desplegado y de la geometría de la conformación de la lámina, puede
enfrentarse un problema de deformación o de ondulación de la
estructura.
Para impedir esta ondulación, varias soluciones
son propuestas.
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La formación de macro-célula de
3D permite dar una estabilidad a la lámina de metal desplegado, a
la lámina perforada o también a la lámina en forma de enrejado o de
reja y le permite comportarse mejor durante el aplastamiento. La
geometría de la macro-célula 3D y su tamaño tienen
una gran influencia en su comportamiento durante el aplastamiento.
Por ejemplo, en el caso de caras planas, el aplastamiento es tanto
mejor cuando el número de mallas entre dos dobleces sea pequeño, es
decir típicamente inferior a 20 mallas.
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Para evitar el fenómeno de ondulación, se puede
igualmente reforzar la estructura con pequeños dobleces localizados
que hacen más rígidas las caras (figura 12).
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El aumento del espesor en relación con la
longitud de la correa disminuye el problema de deformación. Para
aumentar este espesor, se puede:
- -
- ya sea directamente fabricar una lámina de metal desplegado que posea esas características; sin embargo a partir de un cierto espesor de lámina, el despliegue del metal se hace difícil;
- -
- ya sea por ejemplo utilizar dos láminas de metal desplegado superpuestos para realizar las caras de macro-células.
En el caso de lámina metálica perforada, basta
con aumentar el espesor de la lámina de base.
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Como se ha indicado anteriormente, se obtiene la
espuma macro-celular ensamblando un número
significativo de macro-células entre ellas (figura
4). La presencia de todas esas macro-células es en
sí desfavorable para la deformación y para la ondulación de las
paredes. Estas son mantenidas interdependientes, lo que disminuye
los problemas de inestabilidad.
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Una deformación previa tal de la lámina metálica
permitirá a la malla volver a cerrarse bien al estar menos sometida
al fenómeno del alargamiento de la malla durante su aplastamiento.
Este alargamiento amplifica la deformación de las mallas fuera del
plano. Al crear deformaciones previas, de manera tal que las mallas
estén situadas alternativamente de una parte y de otra del plano de
la lámina de metal desplegado, perforada, en forma de enrejado o de
reja (plano de la cara), se impide la salida de varias mallas del
mismo lado del plano. Así, la cara permanece estable.
Está bien claro que esta lámina conformada una
primera vez para formar una lámina deformada previamente, sufrirá
una segunda conformación para formar macro-células
como es explicado anteriormente. Por otra parte, en un modo de
realización particular de la invención, esas deformaciones previas
solo son realizadas sobre algunas láminas o caras.
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El procedimiento de fabricación de una
estructura para absorber la energía durante un choque de acuerdo
con la invención comprende al menos las etapas siguientes:
- -
- seleccionar una pluralidad de láminas de metal desplegado, de láminas metálicas perforadas, o de láminas metálica en forma de enrejados o en forma de rejas;
- -
- efectuar una deformación previa eventual de dichas láminas de manera de colocar las mallas con al menos una lámina alternativamente de una parte y de otra parte del plano de dicha lámina, de manera de reforzar la estabilidad o la rigidez final de la estructura;
- -
- efectuar una conformación de dichas láminas eventualmente deformadas previamente, por doblado, por perfilado, por curvatura o por embutición, así como un posicionamiento de dichas láminas conformadas de manera de preparar la estructura en la forma de macro-células;
- -
- ensamblar dichas láminas conformadas y posicionadas para obtener la estructura final.
Posibles procedimientos de ensamblaje son:
soldadura por resistencia, soldadura por láser, corte y repliegue o
ligadura de fibras, engaste, bordeado, ligadura por hilos. Se puede
igualmente utilizar la agitación de mezclas en el caso en el que se
utilice el acero pre-revestido por un revestimiento
metálico tal como el zinc, el aluminio o una de sus aleaciones.
Claims (27)
1. Estructura para absorber la energía durante
un choque, por deformación plástica, que comprende un ordenamiento
de una pluralidad de láminas metálicas deformadas, dichas láminas
estando constituidas por una pluralidad de fibras interconectadas
que definen mallas (1), la materia metálica presentándose en forma
de correas esencialmente unidas al nivel de los extremos superiores
de cada malla (1), llamados nudos (2), caracterizada porque
dichas láminas metálicas conformadas y ordenadas realizan una red
regular de macro-células (4), delimitadas al menos
parcialmente por caras (5), dichas macro-células (4)
estando configuradas para permitir al menos a una de dichas mallas
(1) volver a cerrarse al menos parcialmente sobre ella misma y/o al
menos a una de dichas caras (5) aproximarse al menos parcialmente a
una o varias otras caras (5), durante dicha deformación
plástica.
2. Estructura de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizada porque una dimensión característica de las
macro-células (4) está comprendida entre 0,5 y 15
cm.
3. Estructura de acuerdo con la reivindicación
2, caracterizada porque la dimensión característica de las
macro-células (4) está comprendida entre 1 y 10
cm.
4. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el cierre de al
menos una de dichas mallas (1) sobre ella misma y/o la aproximación
de al menos una de dichas caras (5) a una o varias otras caras de
una macro-célula (4) son realizados durante un
choque por doblado de las láminas en una pluralidad de puntos,
llamados rótulas plásticas (3).
5. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque cada
macro-célula (4) tiene la forma de una esfera que
comprende uno o varios orificios sobre una circunferencia
cualquiera.
6. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque cada
macro-célula (4) tiene la forma de un cubo, de un
prisma, de una pirámide o más generalmente de un poliedro,
realizados por doblado de las láminas y de las cuales cada cara
comprende uno o varios orificios.
7. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque cada
macro-célula (4) comprende caras (5) onduladas,
realizadas por curvatura o perfilado de las láminas, cada cara (5)
comprende uno o varios orificios.
8. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque la misma
comprende una combinación de macro-células (4) de
formas distintas.
9. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las
láminas metálicas son seleccionadas entre el grupo que comprende
láminas de metal desplegado, láminas en forma de enrejado o de reja
y láminas perforadas.
10. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las mallas
(1) son ya sea hexagonales, ya sea en forma de rombo, ya sea
cuadradas.
11. Estructura de acuerdo con la reivindicación
9 ó 10, caracterizada porque dicha lámina de metal desplegado
es achatada.
12. Estructura de acuerdo con la reivindicación
9 ó 10, caracterizada porque dicha lámina de metal desplegado
es no achatada.
13. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 12, caracterizada porque la misma es
realizada a partir de una pluralidad de láminas de metal desplegado
superpuestas.
14. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizada porque la misma
comprende dobleces locales, no situados en el emplazamiento de los
nudos (2), para hacer rígida la estructura.
15. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizada porque al menos una
de las láminas metálicas utilizadas está al menos en parte deformada
previamente de manera tal que las mallas (1) estén situadas
alternativamente de una parte y de otra del plano de dicha
lámina.
16. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 15, caracterizada porque, cuando las
mallas de dicha lámina metálica tienen la forma de un rombo o de un
hexágono, las macro-células (4) están orientadas
para maximizar el número de mallas (1) de metal desplegado paralelas
a la dirección de impacto prevista y cuya gran diagonal es
esencialmente perpendicular a esta última.
17. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16, caracterizada porque la misma está
conformada para presentar una superficie de impacto variable de
acuerdo con la dirección de aplastamiento.
18. Estructura de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 17, caracterizada porque las láminas
metálicas de metal desplegado, las láminas metálicas perforadas, y
las láminas metálicas en forma de enrejado o de reja son realizadas
de aluminio, de acero de carbono o de acero inoxidable.
19. Estructura de acuerdo con la reivindicación
18, caracterizada porque el acero de carbono está revestido
por un revestimiento metálico seleccionado entre el zinc, el
aluminio, el cobre o una de sus aleaciones y/o por un revestimiento
orgánico.
20. Procedimiento de fabricación de una
estructura para absorber la energía durante un choque de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, caracterizado al
menos por las siguientes etapas:
- -
- se selecciona una pluralidad de láminas metálicas, de metal desplegado, perforadas, o en la forma de enrejado o en la forma de reja;
- -
- se efectúa una deformación previa eventual de dichas láminas de manera de colocar las mallas con al menos una lámina alternativamente de un parte y de otra del plano de dicha lámina, de manera de reforzar la estabilidad o la rigidez final de la estructura;
- -
- se efectúa una conformación de dichas láminas eventualmente deformadas previamente así como un posicionamiento de dichas láminas conformadas de manera de preparar la estructura en la forma de macro-células;
- -
- se ensamblan dichas láminas conformadas y posicionadas para obtener la estructura final.
21. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
la reivindicación 20, caracterizado porque dicho ensamblaje
es realizado mediante soldadura por resistencia, soldadura láser,
corte y repliegue o ligadura de fibras, engaste, bordeado o
ligadura por hilos, o también mediante agitación de mezclas si se
utiliza el acero revestido por un revestimiento metálico de zinc,
de aluminio o una de sus aleaciones.
22. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 20 ó 21, caracterizado
porque la conformación de dicha lámina eventualmente deformada
previamente es realizada por doblado, por perfilado, por curvatura
o por embutición.
23. Procedimiento de fabricación de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 20 a 22, caracterizado
porque la deformación previa de dicha lámina es realizada por
doblado, por perfilado, por curvatura o por embutición.
24. Estructura compuesta que comprende un
apilamiento, de acuerdo con una dirección de impacto o dirección de
aplastamiento, estructuras individuales de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 19, cada una de dichas estructuras
individuales estando conformada para presentar una tensión de
aplastamiento diferente a la precedente en la pila.
25. Estructura compuesta de acuerdo con la
reivindicación 24, caracterizada porque la tensión de
aplastamiento es creciente a medida que se aleja de una superficie
de impacto inicial.
26. Procedimiento de fabricación de la
estructura compuesta de acuerdo con la reivindicación 24 ó 25,
caracterizada porque se realiza un ensamblaje de estructuras
de absorción, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a
19, que presentan tensiones de aplastamiento diferentes.
27. Utilización de la estructura de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19 ó 24 a 25, como
protección fija montada en las inmediaciones de los peajes y de los
cruces de carreteas, como protección de pilares de puente o como
protección fijada en vehículos terrestres de motor, tales como
camiones o vehículos de circulación en carretera.
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|---|---|---|---|
| EP05447258A EP1788273B1 (fr) | 2005-11-21 | 2005-11-21 | Structures macro-cellulaires pour l'absorption d'énergie et procédé de fabrication de telles structures |
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-
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