CN104763772B - 一种缓冲吸能结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种缓冲吸能结构，包括外壳，所述缓冲吸能结构为填充在外壳内的多层金属网格结构或者多孔泡沫结构，相邻层的金属网格结构或者多孔泡沫结构在纵向方向上呈泊松比正负交替层叠。正泊松比的金属网格结构由阵列的正六边形孔格组成的三维蜂窝网格结构组成；负泊松比的金属网格则由阵列的凹角孔格组成的三维拉胀网格结构组成；正泊松比的多孔泡沫结构的孔洞为阵列的菱形结构组成；负泊松比的多孔泡沫结构的孔洞为阵列的四角星形结构组成。与传统的缓冲吸能结构相比，该结构能有效的降低冲击力的峰值，使得整个吸能过程更加平稳，从而提高结构的吸能效率。

Description

一种缓冲吸能结构
技术领域
本发明涉及吸能装置，尤其涉及一种缓冲吸能结构。
背景技术
碰撞安全性是各类车辆安全性的重要指标，车身缓冲碰撞区中有相当一部分材料是专门致力于车体抗冲击为目的而设置的。高效的冲击能量吸收效率、较低的重量与较小的载荷峰值是这类功能零件的结构设计所追求的目标。
目前传统吸能装置品种繁多，然而大部分产品吸能结构不合理，缓冲吸能效率低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种缓冲吸能结构，改善现有吸能结构的变形模式，提高缓冲吸能效率。与传统的缓冲吸能结构相比，能有效的降低冲击力的峰值，使得整个吸能过程更加平稳，从而提高结构的吸能效率。
本发明通过下述技术方案实现：
一种缓冲吸能结构，包括外壳4，所述缓冲吸能结构为填充在外壳4内的多层金属网格结构或者多孔泡沫结构，相邻层的金属网格结构或者多孔泡沫结构在纵向方向上呈泊松比正负交替层叠。各层金属网格结构通过钎焊2-1焊接，各层多孔泡沫结构通过粘接剂2-2粘接。碰撞端的金属网格结构或者多孔泡沫结构的泊松比为正。
正泊松比1-1的金属网格结构由阵列的正六边形孔格组成的三维蜂窝网格结构组成；负泊松比3-1的金属网格则由阵列的凹角孔格组成的三维拉胀网格结构组成。正泊松比1-2的多孔泡沫结构的孔洞为阵列的菱形结构组成；负泊松比3-2的多孔泡沫结构的孔洞为阵列的四角星形结构组成。与传统的缓冲吸能结构相比，该结构能有效的降低冲击力的峰值，使得整个吸能过程更加平稳，从而提高结构的吸能效率。
金属网格结构，从碰撞端起，每相邻两层金属网格网格结构为一组，各组金属网格结构的网格的壁厚相同；在纵向方向上，各组金属网格结构的网格的壁厚从碰撞端到末端逐步递增。
从碰撞端起，每相邻两层多孔泡沫结构为一组，各层多孔泡沫结构的孔洞所占的相对体积相同，即各层多孔泡沫结构的相对密度相同；在纵向方向上，各组多孔泡沫结构的密度从碰撞端到末端逐步递增。
多孔泡沫结构所采用的泡沫材料，其孔隙率为10％～30％。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
(1)本发明缓冲吸能结构为填充在外壳内的多层金属网格结构或者多孔泡沫结构，相邻层的金属网格结构或者多孔泡沫结构在纵向方向上呈泊松比正负交替层叠。由于泊松比正负交替确保了吸能结构更稳定的变形过程，使冲击力更加平稳，提高结构的能量吸收能力，从而提升汽车的正面碰撞安全性，确保乘员安全以及车身重要结构不被破坏。
(2)本发明提出的结构简单，技术手段简便易行，可以通过挤出，激光切割，线切割，3D打印等工艺快速生产，适合工业应用。
本发明所述缓冲吸能结构(金属网格结构或者多孔泡沫结构)在纵向方向上呈泊松比正负交替层叠，具有着良好的能量吸收特性，具有几乎不变的平台应力和较长的行程。缓冲吸能结构与壳体(或者金属管壁)之间的交互作用也能进一步增强结构的能量吸收能力。因此，金属网格结构或者多孔泡沫结构填充结构与单管相比具有更稳定的变形模式，更好的载荷一致性，以及更高的比质量能量吸收。
壳体结构主要通过管壁折叠的塑性变形来耗散冲击动能的，因此，褶皱的个数越多，结构的总吸能值越高。本缓冲吸能结构正式从这个角度提出泊松比正负交替的金属网格结构或者多孔泡沫结构吸能结构，目的是通过其结构产生的波浪式的变形来诱导壳体更容易的产生更多的褶皱变形，进而改善吸能结构的变形模式，从而提高缓冲吸能效率。
附图说明
图1为本发明缓冲吸能结构，采用泊松比正负交替金属网格结构示意图。
图2为图1圈中所示局部结构放大示意图。
图3为本发明缓冲吸能结构，采用泊松比正负交替多孔泡沫结构结构示意图。
图4为图3圈中所示局部结构放大示意图。
图5为图1正泊松比金属网格结构示意图。
图6为图1负泊松比金属网格结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
如图1至6所示。本发明一种缓冲吸能结构，包括外壳4，所述缓冲吸能结构为填充在外壳4内的多层金属网格结构或者多孔泡沫结构，相邻层的金属网格结构或者多孔泡沫结构在纵向方向上呈泊松比正负交替层叠。
各层金属网格结构通过钎焊2-1焊接(包括金属网格结构与外壳4之间的钎焊)，各层多孔泡沫结构通过粘接剂2-2粘接(包括多孔泡沫结构与外壳4之间的粘接)。
碰撞端的金属网格结构或者多孔泡沫结构的泊松比为正。
正泊松比1-1的金属网格结构由阵列的正六边形孔格组成的三维蜂窝网格结构组成；负泊松比3-1的金属网格则由阵列的凹角孔格组成的三维拉胀网格结构组成。通过对金属网格结构的合理设计，使得该金属网络结构在压缩载荷作用下，金属边发生特定的旋转，在宏观上表现为泊松比正负不同。其中最典型的正、负泊松比的金属网格结构为拉胀网格和蜂窝网格，其单元晶胞如图2，图3所示。
正泊松比1-2的多孔泡沫结构的孔洞为阵列的菱形(或者正六边形)结构组成；负泊松比3-2的多孔泡沫结构的孔洞为阵列的四角星形结构组成。菱形或者正六边形在受压的情况下，侧面会膨胀，表现为正泊松比；凹角的的四角星形结构，在受压的情况下，侧面反而收缩，表现为负泊松比。为控制泡沫的相对密度在恰当的范围内，多孔泡沫结构所采用的泡沫材料，其孔隙率可在10％～30％之间。
泡沫的相对密度是决定泡沫力学性能的主要参数，不同的相对密度的泡沫材料有可能直接导致了材料的碰撞性能的不同，最后影响吸能能力的差异。依据工程经验，将填充的泡沫铝的相对密度区间设置在0.3g/cm^3和0.8g/cm^3之间比较合理。假设金属网格的壁厚为t，边长为a，则为确保泡沫的密度在合适的区间内，应该使t/a的范围在0.1～0.25之间。
金属网格结构，从碰撞端起，每相邻两层金属网格网格结构为一组，各组金属网格结构的网格的壁厚相同；在纵向方向上，各组金属网格结构的网格的壁厚从碰撞端到末端逐步递增。
从碰撞端起，每相邻两层多孔泡沫结构为一组，各层多孔泡沫结构的孔洞所占的相对体积相同，即各层多孔泡沫结构的相对密度相同；在纵向方向上，各组多孔泡沫结构的密度从碰撞端到末端逐步递增。
如上所述，下面以泊松比正负交替多孔泡沫结构结构为例，说明缓冲吸能原理：
泊松比正负交替多孔泡沫结构结构。其泡沫纵向泊松比的绝对值比普通泡沫的泊松比大，则泡沫在轴向冲击下，变形量较大，形成有规律的膨胀收缩变形，而不仅仅作为一种约束限制，更形成一种诱导，诱使壳体更容易的产生更多的褶皱变形。在轴向压缩作用下，多孔泡沫结构先于壳体(或者金属管壁)进行变形。由于多孔泡沫结构的密度从碰撞端到末端逐步递增，即由碰撞端起算，第一层和第二层的密度最小，最先变形；而由于第一层的泊松比为正，在压缩作用下，侧面膨胀变形，从而挤压壳体。壳体在纵向压缩力和侧面压力与摩擦力的作用下，屈曲变形继而形成第一个褶皱。外载荷继续增加，纵向方向上各层从上到下依次膨胀收缩变形。在多孔泡沫结构的约束作用下，金属管壁形成有规律的褶皱变形。由于多孔泡沫结构的挤压约束作用，管壁塑性变形形成一个褶皱的所需要的载荷变小；多孔泡沫结构密度的梯度变化与泊松比正负交替变化使得泡沫形成有规律的膨胀收缩变形，在纵向方向上看呈波浪变化，因此在多孔泡沫层的挤压约束作用下，壳体的变形过程更稳定，载荷一致性水平更高。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种缓冲吸能结构，其特征在于：包括外壳(4)，所述缓冲吸能结构为填充在外壳(4)内的多层金属网格结构或者多孔泡沫结构，相邻层的金属网格结构或者多孔泡沫结构在纵向方向上呈泊松比正负交替层叠。
2.根据权利要求1所述缓冲吸能结构，其特征在于：各层金属网格结构通过钎焊(2-1)焊接，各层多孔泡沫结构通过粘接剂(2-2)粘接。
3.根据权利要求1所述缓冲吸能结构，其特征在于：碰撞端的金属网格结构或者多孔泡沫结构的泊松比为正。
4.根据权利要求1或2或3所述缓冲吸能结构，其特征在于：正泊松比(1-1)的金属网格结构由阵列的正六边形孔格组成的三维蜂窝网格结构组成；负泊松比(3-1)的金属网格则由阵列的凹角孔格组成的三维拉胀网格结构组成。
5.根据权利要求1或2或3所述缓冲吸能结构，其特征在于：正泊松比(1-2)的多孔泡沫结构的孔洞为阵列的菱形结构组成；负泊松比(3-2)的多孔泡沫结构的孔洞为阵列的四角星形结构组成。
6.根据权利要求3所述缓冲吸能结构，其特征在于：金属网格结构，从碰撞端起，每相邻两层金属网格网格结构为一组，各组金属网格结构的网格的壁厚相同；在纵向方向上，各组金属网格结构的网格的壁厚从碰撞端到末端逐步递增。
7.根据权利要求3所述缓冲吸能结构，其特征在于：从碰撞端起，每相邻两层多孔泡沫结构为一组，各层多孔泡沫结构的孔洞所占的相对体积相同，即各层多孔泡沫结构的相对密度相同；在纵向方向上，各组多孔泡沫结构的密度从碰撞端到末端逐步递增。
8.根据权利要求7所述缓冲吸能结构，其特征在于：多孔泡沫结构所采用的泡沫材料，其孔隙率为10％～30％。
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