能量吸收结构介绍：背景、应用和原理

随着社会的进步，人们普遍要求更高程度的个人和公共保护，因此对防护结构和安全设施的设计和应用提出了越来越高的要求。从20世纪70年代以来；加强了对用于耗散碰撞动能（或爆炸效应等）的吸能材料和能量吸收结构的研究和开发，在汽车、航空航天和军事工业方面尤其突出。

能量吸收结构广泛用于改善车辆的耐撞性(crashworthiness)。耐撞性是指当车辆受到碰撞时的响应性质的优劣，碰撞后车辆、乘员、装载物等的损伤越小，车辆的耐撞性就越好。

能量吸收结构应用于高速公路的安全防护。为了减少行驶车辆在碰撞时引起的损失，高速公路两侧要安装防护栏。最常用的防护栏系统是由立柱（钢柱或木柱），以及安装在立柱上的镀锌W形钢梁(W-梁)组成。立柱埋在基础内，当车辆与防护栏发生碰撞。时，车辆的动能大部分耗散在W-梁和立柱的塑性变形上，基础移动和梁的破裂也能耗散部分能量。

目前所有发达国家都有标准或者法规来指导防护栏的设计和安装。除此以外，用于高速公路的防护系统还有混凝土隔栏和钢索安全护栏。混凝土隔栏的作用是改变误入歧途车辆的方向，使之回到正常轨道，同时车辆被隔栏下部斜面抬起，其部分动能转化为势能。钢索安全护栏是与道路平行的钢索，也可以改变车辆的方向，但是钢索的变形基本上是弹性的。

能量吸收结构应用于工业事故的防护。对于矿井升降车、电梯井、铁路线终端等设备，都需要选用合适的能量吸收装置作为行程限制器，以防止突然的坠落或冲线事故。在山区，陡坡上滚下来的落石会对于路过的人员和车辆造成危险。在容易发生落石的区域，可以设置金属防护网，通过金属环的塑性变形来吸收滚石动能。

在采矿、建筑和农业机械设计中，落体防护结构FOPS(falling object protective structures)和翻滚防护结构ROPS(roll-over protective structures)是两个重要概念，因为这些机械通常在危险的环境中或者斜坡上工作，驾驶室的结构设计要保证能在碰撞或者滚翻发生时吸收能量，并为驾驶员提供的生存空间。

此外，在核能、电力和化学工业中，输送高压、高速液体的管道的甩动防护是极为重要的。管道甩动是指当一根管道破裂时，从破裂处泄漏的高压射流对管道施加很大的反向推动力，引起管道迅速甩动和变形。为了防止这类事故的发生，设计者要引人带有能量吸收器的管道甩动限制系统，能够在甩动的管道击中任何邻近的管道或仪器之前，耗散掉它的动能。

能量吸收结构应用于个人安全防护。自行车头盔、安全帽和防弹背心等都要求具有很高的能量吸收能力。以自行车头盔为例，当戴头盔者发生事故从车上跌落，头部与路面相撞时，头盔起了防护戴头盔者头部受伤的作用。国际标准要求，将一个质量为5kg的人头模型(headform)戴上自行车头盔，从2m高处落在硬地面上时（携带100J的能量），人头模型的最大加速度要小于100g。与建筑工地的安全帽相比自行车头盔要求有更高的能量吸收能力。

能量吸收结构/材料用于包装。作为保存和分发物品的重要方法，包装已经成为我们生活中不可缺少的部分。包装的基本作用是保护物品，免受运输和存储引起的外部损伤，以及将保存的物品同外界污染物分离开来。传统上，常用的缓冲材料包括木屑、细刨花、稻草麦秆、甘蔗渣、弄皱或撕碎的废纸、多孔软填料等。目前传统材料已经开始逐渐被各种聚合物制造的缓冲材料所替代，其中最常用的是泡沫材料。包装的动态响应并不太受关注，主要关心的是能量吸收能力。