CN109878443A - 基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，包括与汽车防撞梁固连的前安装板，与汽车纵梁固连的后安装板，吸能盒盒体和填充在盒体内腔的内凹多面体负泊松比三维结构内芯；内芯由多个内凹多面体负泊松比单胞结构在三维方向阵列排布连接而成。本发明的吸能盒通过结合负泊松比三维结构，使吸能盒在受冲击方向具备了负泊松比和刚度增强特性，能够同时改善在多个工况下的吸能效果，提高车辆的碰撞安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及汽车结构耐撞性设计领域，具体涉及一种基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒。
背景技术
汽车前保险杠系统作为汽车被动安全设计中的最主要组成部分，其目的是在汽车发生正面碰撞时实现以下功能：发生车-人事故时，系统应最大限度降低冲击力以消除对行人腿部以及膝盖的伤害；发生车-车、车-物事故时，系统能将部件变形尽量控制在较小区域内以保护其余重要零部件，降低后续维修成本。吸能盒是汽车前保险杠系统的重要吸能部件，它位于保险杠横梁与汽车前纵梁之间。
传统的吸能盒结构设计时通常采用金属薄壁管件，例如中国专利公布的CN103909888A，在发生碰撞时，薄壁管件会通过弯折、翘曲或褶皱等形式的塑性变形将冲击动能耗散为变形能，低速碰撞时由吸收的能量占到90％，但其在中高速碰撞下因自身较低的强度和刚度无法吸收更多能量，导致能量转递到后方的前纵梁，造成纵梁乃至发动机舱零部件的破坏。
此外，在薄壁盒体内部填充具有良好吸能特性的轻质多孔材料能在不改变原有结构的前提下显著提高缓冲吸能效果，例如中国专利公布的CN105235617A。但这一类填充纤维增强复合材料的吸能盒在汽车发生碰撞时存在变形不够稳定、压缩不够彻底以及无法控制对行人的伤害等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，负泊松比结构材料在受到载荷作用时能够发生平稳和可控的压缩变形，同时在负泊松比特性的作用下呈现刚度增强特性，将负泊松比结构材料应用于吸能盒设计，能同时满足不同车速碰撞时对行人、车辆和乘员的保护需求。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，包括与汽车防撞梁连接的前安装板，与汽车纵梁连接的后安装板，吸能盒盒体，以及填充在吸能盒盒体内腔的内凹多面体负泊松比三维结构内芯；所述吸能盒盒体是截面为矩形的闭口薄壁结构，两端分别与前、后安装板连接；所述负泊松比三维结构的单胞结构由六个对称的内凹面组成，单胞结构六个面均呈伞状结构，内凹面上中间四条等长斜边为弯曲肋，四条弯曲肋呈正交排布且顶端交汇于一点形成内凹面顶点，每个面四周分布有四条支撑胞臂，每条支撑胞臂由两条斜边组成，呈现内凹状，相邻两个面共享一条支撑胞臂，每个面上凹角顶点处都有一根连接杆，相邻胞元通过共享这一连接杆来进行连接，从而形成一个完整的单胞结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明将负泊松比三维结构和传统薄壁吸能盒相结合设计了一种新型负泊松比结构吸能盒，在低速碰撞时维持较低碰撞力，具有良好的行人保护性能，同时稳定、可控的溃缩过程提高了吸能效率，增强了对车身后部结构的保护，节约了维修成本；
(2)本发明中应用的负泊松比三维结构内芯在车辆发生中高速碰撞时，在负泊松比效应的作用下呈现刚度增强特性，产生更高的平台应力，吸收更多冲击能量，在中高速碰撞下的吸能效果得到显著提升。
附图说明
图1为本发明基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒整体结构示意图。
图2为本发明基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒结构剖面图。
图3为本发明基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒的负泊松比三维结构内芯示意图。
图4为本发明基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒单胞结构示意图。
具体实施方式
一种基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，包括：与汽车防撞梁连接的前安装板，与汽车纵梁连接的后安装板，吸能盒盒体和填充在盒体内腔的内凹多面体负泊松比三维结构内芯；
所述吸能盒盒体是截面为矩形的闭口薄壁结构，两端分别与前、后安装板连接；所述负泊松比三维结构的单胞是由六个对称的内凹面组成，单胞结构六个面均呈伞状结构，内凹面上中间四条等长斜边为弯曲肋，四条弯曲肋呈正交排布且顶端交汇于一点形成内凹面顶点，每个面四周分布有四条支撑胞臂，每条支撑胞臂由两条斜边组成，呈现内凹状，相邻两个面共享一条支撑胞臂，每个面上凹角顶点处都有一根连接杆，相邻胞元通过共享这一连接杆来进行连接，从而形成一个完整的单胞结构。
所述吸能盒盒体在轴向长度的三等分点处设有两条内凹状溃缩槽，所述溃缩槽沿盒体表面一周，且所述两条溃缩槽宽度、深度相同。
所述前安装板通过法兰与汽车防撞梁螺栓连接，后安装板通过法兰与汽车车身前纵梁螺栓连接。
所述吸能盒盒体、前后安装板的材料由合金钢或铝合金冲压成型制成的。
所述内凹多面体负泊松比单胞结构的支撑胞臂、弯曲肋和连接杆是正方形截面的实心杆。
所述内凹多面体负泊松比三维结构内芯与吸能盒盒体内腔表面粘连固定。
所述内凹多面体负泊松比三维结构内芯是由金属、塑胶、泡沫或陶瓷等材料通过3D打印等快速成型技术制成的。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
结合图1和图2，一种基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，包括前安装板1、后安装板2、吸能盒盒体3和填充在盒体内腔的内凹多面体负泊松比三维结构内芯4。吸能盒盒体3由1.2毫米厚的高强度合金钢板冷冲压成形，同时使用点焊技术焊接成截面为矩形的闭口薄壁盒体结构，盒体尺寸长为160mm、截面宽和高分别为280mm和280mm。吸能盒盒体3在轴向长度的三等分点处设有两条内凹状溃缩槽301，溃缩槽301沿盒体3表面一周，两条溃缩槽301宽度相同均为6mm，深度相同均为4mm。诱导槽可以引导吸能盒按设计方式发生形变，从而使得吸能盒在发生碰撞时变形稳定且充分，从而改善了吸能盒的吸能性能。盒体3两端面处设有翻边，翻边通过点焊与前安装板1和后安装板2连接。前安装板1和后安装板2均设有法兰，前安装板1通过螺栓固定连接在汽车防撞梁上，后安装板2通过螺栓固定连接在汽车前纵梁上。内凹多面体负泊松比三维结构内芯4通过粘连的方式固定在吸能盒盒体3内腔表面，三维结构内芯4的长度和盒体长度一致，宽度和高度与盒体3内腔横截面尺寸相当。
如图3所示，整个内凹多面体负泊松比三维结构内芯4是由7*7*4个内凹多面体负泊松比单胞结构401周期性排布连接而成，其中长度方向共7层，每层宽度方向4个、高度方向7个。如图4所示，每个单胞结构401是由六个对称的内凹面组成，每个内凹面呈伞状结构。四周分布有四条支撑胞臂402，每条支撑胞臂由两条斜边组成，每条斜边长度L1＝20mm，两条斜边之间的夹角α＝150°，每条支撑胞臂由相邻两个面共享；中间四条等长斜边为弯曲肋403，长度L2＝25mm，相对两条弯曲肋403之间的夹角β＝150°；六根连接杆404分别垂直于六个内凹面，每根长度L3＝15mm；此处，α和β的取值可在90°-180°范围内自由调整，各斜边长度随之变化满足结构关系且不干涉即可。支撑胞臂402、弯曲肋403和连接杆404都是具有平整的表面的正方形截面实心梁，截面尺寸为3×3毫米。多个单胞结构401在横截面两方向上通过共享相邻单胞连接杆404的方式相互连接，从而在水平方向延伸形成一个连续的单元层；在长度方向多个单元层通过共享连接杆404的方式相互连接，依次类推从而构成整个内凹多面体负泊松比三维结构内芯4。本实施例中负泊松比三维结构内芯4是采用但不限于ABS塑料3D打印而成。
具有本实施例的汽车在发生低速碰撞时维持较低碰撞力，具有良好的行人保护性能，溃缩槽能够引导快速溃缩，提高整体变形的均匀性，通过稳定、可控的溃缩过程提高了吸能效率，增强了对车身后部结构的保护，节约了维修成本。而在车辆发生中高速碰撞时，负泊松比结构内芯轴向溃缩的同时材料沿径向收缩，在负泊松比效应的作用下呈现刚度增强特性，产生更高的平台应力，吸收更多冲击能量，在中高速碰撞下的吸能效果得到显著提升。
Claims (7)
1.一种基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，其特征在于，包括与汽车防撞梁连接的前安装板，与汽车纵梁连接的后安装板，吸能盒盒体，以及填充在吸能盒盒体内腔的内凹多面体负泊松比三维结构内芯；所述吸能盒盒体是截面为矩形的闭口薄壁结构，两端分别与前、后安装板连接；所述负泊松比三维结构的单胞结构由六个对称的内凹面组成，单胞结构六个面均呈伞状结构，内凹面上中间四条等长斜边为弯曲肋，四条弯曲肋呈正交排布且顶端交汇于一点形成内凹面顶点，每个面四周分布有四条支撑胞臂，每条支撑胞臂由两条斜边组成，呈现内凹状，相邻两个面共享一条支撑胞臂，每个面上凹角顶点处都有一根连接杆，相邻胞元通过共享这一连接杆来进行连接，从而形成一个完整的单胞结构。
2.根据权利要求1所述基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，其特征在于，所述吸能盒盒体在轴向长度的三等分点处设有两条内凹状溃缩槽，所述溃缩槽沿盒体表面一周，且所述两条溃缩槽宽度、深度相同。
3.根据权利要求1所述基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，其特征在于，所述前安装板通过法兰与汽车防撞梁螺栓连接，后安装板通过法兰与汽车车身前纵梁螺栓连接。
4.根据权利要求1所述基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，其特征在于，所述的吸能盒盒体、前后安装板的材料由合金钢或铝合金冲压成型制成。
5.根据权利要求1所述基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，其特征在于，所述内凹多面体负泊松比单胞结构的支撑胞臂、弯曲肋和连接杆为正方形截面的实心杆。
6.根据权利要求1所述基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，其特征在于，所述内凹多面体负泊松比三维结构内芯与吸能盒盒体内腔表面粘连固定。
7.根据权利要求1所述基于内凹多面体负泊松比三维结构内芯的吸能盒，其特征在于，所述内凹多面体负泊松比三维结构内芯由金属、塑胶、泡沫或陶瓷通过3D打印制成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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