CN105235616A - 一种多胞薄壁吸能结构及其应用结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多胞薄壁吸能结构及其应用结构，其包括外层薄壁吸能结构和内层薄壁吸能结构；内层薄壁吸能结构中套接的中空的小正棱柱和大正棱柱的中心线重合；第一连接肋板和第二连接肋板分别连接在小正棱柱以及大正棱柱的对应边的中间位置和对应角之间；外层薄壁吸能结构的两块钢板分别与内层薄壁吸能结构的相对应棱角的两棱边平行，钢板间的夹角与对应棱角的度数相同；第三连接肋板的一端连接两块钢板，另一端连接在大正棱柱的棱边外；第四连接肋板的一端连接在钢板夹角处，另一端连接在大正棱柱的棱角外侧。本发明能协调吸能结构高比吸能SEA、高压溃力效率CFE和良好的变形模式三者间的矛盾，整体结构具备良好的碰撞安全性能。

Description

一种多胞薄壁吸能结构及其应用结构

技术领域

本发明涉及汽车领域，尤其是涉及一种多胞薄壁吸能结构。汽车的前纵梁和吸能盒设计中的

背景技术

汽车前舱吸能结构的设计对汽车碰撞安全意义重大。汽车正面碰撞过程中，前纵梁和吸能盒吸收的碰撞能量占了整车碰撞能量的一半以上，而且这两种吸能结构的变形模式和吸能特性对于碰撞过程中碰撞力的传递路径和加速度响应具有决定性的影响，因此，在汽车碰撞安全和车身轻量化不断受到重视的趋势下，此类吸能结构的设计已经成为了各大汽车生产厂商及研究院的重点攻关技术。

在传统的单胞薄壁吸能结构设计中，单胞的方形吸能结构、圆形吸能结构、帽形吸能结构或者多边形吸能结构都被各大汽车生产厂商广泛采用，但是传统的吸能结构无法满意地协调在碰撞安全设计过程中吸能结构高比吸能SEA、高压溃力效率CFE和良好的变形模式三者之间的矛盾。

另外，针对纯电动车，由于纯电动车碰撞吸能空间较小和轻量化设计要求等限制，目前汽车生产厂商普遍采用的单胞薄壁吸能结构难以满足此电动车设计要求。

发明内容

本发明的目的是针对汽车上目前存在的主流的前舱吸能结构存在的问题，提供一种多胞薄壁吸能结构，其具有高比吸能SEA、高压溃力效率CFE以及良好的变形模式的优点。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种多胞薄壁吸能结构，其包括：

外层薄壁吸能结构和内层薄壁吸能结构；

所述内层薄壁吸能结构包括中空的小正棱柱、套接在其外部的中空的大正棱柱、第一连接肋板和第二连接肋板；其中中空的小正棱柱与套接在其外部的中空的大正棱柱的中心线重合；第一连接肋板连接在小正棱柱以及大正棱柱的对应边的中间位置；第二连接肋板连接在小正棱柱以及大正棱柱的对应角之间；

所述外层薄壁吸能结构包括多个角结构胞元，所述角结构胞元包括：对称布置且相接形成夹角的两块钢板、第三连接肋板和第四连接肋板；两块钢板分别与内层薄壁吸能结构的相对应棱角的两棱边平行，所述夹角与内层薄壁吸能结构的相对应棱角的度数相同；所述第三连接肋板的一端分别连接在两块钢板另一端，第三连接肋板的另一端连接在内层薄壁吸能结构的中空的大正棱柱的外侧边；第四连接肋板的一端连接在两块钢板的夹角处，另一端连接在内层薄壁吸能结构的中空的大正棱柱的棱角外侧。

更进一步地，所述两块钢板之间的夹角的度数为：α＝180°-360°/n，其中的n为内层薄壁吸能结构的棱边的数量。

更进一步地，所述小正棱柱和大正棱柱均为七棱柱、六棱柱、五棱柱、四棱柱或者三棱柱。

更进一步地，所述多胞薄壁吸能结构由铝合金材料一次挤压成型而成。

本发明提供一种多胞薄壁吸能结构的应用结构，其应用于电动汽车的前纵梁中，其包括：

核心层、复合材料纵梁以及多胞薄壁吸能结构；

所述核心层位于前纵梁应用结构的最内层，所述复合材料纵梁位于前纵梁应用结构的最外层，所述多胞薄壁吸能结构位于所述核心层和所述复合材料纵梁之间。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：

1)本发明多胞薄壁吸能结构能够很好地协调碰撞安全设计过程中吸能结构高比吸能SEA、高压溃力效率CFE和良好的变形模式三者之间的矛盾，整体结构具备良好的碰撞安全性能；

2)本发明多胞薄壁吸能结构采用铝合金轻质材料，使得前舱吸能结构质量相比传统普通高强钢结构质量大大降低，有利于实现车身轻量化和有效降低油耗。

3)本发明多胞薄壁吸能结构形状规则，其结构能通过一次挤压成型，便于加工，制造成本低。

附图说明

图1a为本发明的多胞薄壁吸能结构的三维结构示意图；

图1b为图1a中的A大样示意图；

图2为角结构胞元的结构示意图；

图3为电动汽车外形及多胞薄壁吸能结构在该电动汽车中的位置图；

图4为图2中的多胞薄壁吸能结构的几何尺寸示意图；

图5a-图5d分别为方形吸能盒、六边形吸能盒、圆形吸能盒和本发明的多胞薄壁吸能结构在恒定速度压溃中的压溃变形示意图；

图6为不同截面形状吸能盒恒定速度压溃中的压溃力-压缩距离曲线图；

图7为不同截面形状吸能盒恒定速度压溃中的能量-压缩距离曲线图。

附图中：

外层薄壁吸能结构1、内层薄壁吸能结构2；中空的小六棱柱21、套接在其外部的中空的大六棱柱22、第一连接肋板23和第二连接肋板24；多胞薄壁吸能结构2-1；角结构胞元11；钢板111、第三连接肋板112和第四连接肋板114。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种多胞薄壁吸能结构，其采用铝合金材料，由一次挤压成型而成。其结构如图1a和图1b所示，包括：

外层薄壁吸能结构1和内层薄壁吸能结构2。

内层薄壁吸能结构2包括中空的小六棱柱21、套接在其外部的中空的大六棱柱22、第一连接肋板23和第二连接肋板24。

其中中空的小六棱柱21、套接在其外部的中空的大六棱柱22的中心线重合；第一连接肋板23连接在中空的小六棱柱以及中空的大六棱柱的对应边的中间位置；第二连接肋板24连接在中空的小六棱柱以及中空的大六棱柱的对应角之间。

上述肋板布置形式不仅有利于提高此多胞薄壁吸能结构的能量吸收，还有利于此多胞薄壁吸能结构发生稳定的有规律的变形模式。

外层薄壁吸能结构1布置在内层薄壁吸能结构2的外部。外层薄壁吸能结构包括多个角结构胞元11，每个角结构胞元11的布置位置与内层薄壁吸能结构2的外部棱角相对应，即分别对应设置在内层薄壁吸能结构2的棱角外侧。

角结构胞元11的结构如图2所示，包括：

包括：对称布置且相接形成夹角的两块钢板111、第三连接肋板112和第四连接肋板114。

两块钢板111分别与内层薄壁吸能结构2的相对应棱角的两侧边钢板平行，所述夹角与内层薄壁吸能结构的相对应棱角的度数相同；两块钢板111之间的夹角的度数为：α＝180°-360°/n，其中的n为内层薄壁吸能结构2的棱边的数量；第三连接肋板112的一端分别连接在两块钢板111另一端，第三连接肋板112的另一端连接在内层薄壁吸能结构2的中空的大六棱柱的外侧边；第四连接肋板114的一端连接在两块钢板111的夹角处，另一端连接在内层薄壁吸能结构2的中空的大六棱柱的棱角外侧。

角结构胞元11连接在内层薄壁吸能结构2的外侧棱角处，它不仅能够增加此多胞薄壁吸能结构的能量吸收，更重要的是相比于传统的薄壁吸能结构，它能有效解决斜碰过程中吸能结构折弯变形的问题，有利于提高汽车各种角度碰撞过程中的吸能稳定性。

上述本发明的结构外形与想“雪花”相似，因此也称本发明的多胞薄壁吸能结构为“雪花型”多胞吸能结构。

本发明的多胞薄壁吸能结构主要应用于电动车，下面给出本发明的多胞薄壁吸能结构的一个应用实例：

将本发明应用于一款纯电动汽车，如图3所示，其中本发明的胞薄壁吸能结构2-1设置在纯电动汽车的前纵梁中，其使用5182铝合金材料制作而成。

该多胞薄壁吸能结构的前纵梁应用结构，包括：核心层、复合材料纵梁以及多胞薄壁吸能结构。

所述核心层位于前纵梁应用结构的最内层，所述复合材料纵梁位于前纵梁应用结构的最外层，所述多胞薄壁吸能结构位于所述核心层和所述复合材料纵梁之间。

该多胞薄壁吸能结构依然如图1所示，包括外层薄壁吸能结构1、内层薄壁吸能结构2。其中的内层薄壁吸能结构2为双层中空的正六棱柱结构；其中的外层薄壁吸能结构1包括上述的多个角结构胞元11，分别对应设置在内层薄壁吸能结构2的棱角外侧。

整个多胞薄壁吸能结构的长度L为160mm，壁厚t为1mm。其截面的几何尺寸如图5a-图5d所示，其中的外层薄壁吸能结构1的边长a为33.8mm，内层薄壁吸能结构2的边长b为22.5mm，角结构胞元11的边长c、d分别为15mm、10mm，角结构胞元11的夹角为60°。

为了证明本发明的多胞薄壁吸能结构具有结构方面的巨大优势，将其与汽车上传统的不同截面形状的单胞吸能盒进行了对比研究，这些传统单胞薄壁吸能盒主要包括单胞的方形吸能盒、六边形吸能盒以及圆形吸能盒。为了让本发明的多胞薄壁吸能结构与三种传统的单胞薄壁吸能盒的质量保持一致，需确保三种传统单胞薄壁吸能盒具有与本发明的多胞薄壁吸能结构的相同的截面面积。为此，此三种传统单胞薄壁吸能盒的长度L均为160mm，壁厚t均为2.4mm。

分别针对本发明、不同截面形状的单胞吸能盒进行恒定速度压溃实验，得到的压溃变形图如图5所示、压溃力-压缩距离曲线图如图6所示，不同截面形状吸能盒恒定速度压溃中的能量-压缩距离曲线图如图7所示,不同截面形状吸能盒的吸能效果对比如表一所示：

表一恒定速度压溃实验中不同截面形状吸能盒的吸能效果对比情况表

从图5a-图5d的变形模式可以看出：除传统单胞薄壁方形吸能盒外，本发明和另外两种传统单胞薄壁吸能盒均能发生稳定渐进的折叠变形模式；同时，从图6的曲线可以看出：传统单胞薄壁六边形吸能盒、传统单胞薄壁圆形吸能盒以及本发明的多胞薄壁吸能盒的波峰之间间距比较均匀，则再次表明此三种吸能盒的折叠变形模式良好。

从图6的曲线可以看出：传统单胞薄壁方形吸能盒的平均压溃力F_mean最低，传统单胞薄壁六边形和圆形吸能盒的平均压溃力F_mean很相近，而本发明的多胞薄壁吸能盒的平均压溃力F_mean最高，且本发明的多胞薄壁吸能盒的压溃力F波动最小，传统单胞薄壁方形吸能盒其次，传统单胞薄壁六边形和圆形吸能盒的压溃力F波动很相近且最大，这表明本发明的多胞薄壁吸能结构具有最好的力水平，这不仅有利于提高汽车的吸能能力，还能降低车内乘员损伤。

从图7可以明显看出：本发明的多胞薄壁吸能结构具有最好的吸能性能，远远优于其它三种传统单胞薄壁吸能盒。

从表一可以清晰地看出：本发明的多胞薄壁吸能结构不仅具有最高的比吸能SEA(56.62kJ/kg)，同时还具有最好的压溃力效率CFE(74.0％)。

综上可得：本发明的多胞薄壁吸能结构能够很好地协调碰撞安全设计过程中吸能结构高比吸能SEA、高压溃力效率CFE和良好的变形模式三者之间的矛盾，安装有本发明的如图3所示电动车具备良好的碰撞安全性能。

上述本发明的实施例中的多胞薄壁吸能结构中，是以其中的内层薄壁吸能结构2为正六正三棱柱结构形成的多胞薄壁吸能结构为例进行说明的，但本发明并不局限于此，其中的内层薄壁吸能结构2还可以是正三棱柱、正四棱柱、正五棱柱、正七棱柱等。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.一种多胞薄壁吸能结构，其特征在于，所述多胞薄壁吸能结构包括：

外层薄壁吸能结构(1)和内层薄壁吸能结构(2)；

所述内层薄壁吸能结构(2)包括中空的小正棱柱(21)、套接在其外部的中空的大正棱柱(22)、第一连接肋板(23)和第二连接肋板(24)；其中中空的小正棱柱(21)与套接在其外部的中空的大正棱柱(22)的中心线重合；第一连接肋板(23)连接在小正棱柱(21)以及大正棱柱(22)的对应边的中间位置；第二连接肋板(24)连接在小正棱柱(21)以及大正棱柱(22)的对应角之间；

所述外层薄壁吸能结构(1)包括多个角结构胞元(11)，所述角结构胞元(11)包括：对称布置且相接形成夹角的两块钢板(111)、第三连接肋板(112)和第四连接肋板(114)；两块钢板(111)分别与内层薄壁吸能结构(2)的相对应棱角的两棱边平行，所述夹角与内层薄壁吸能结构(2)的相对应棱角的度数相同；所述第三连接肋板(112)的一端分别连接在两块钢板(111)另一端，第三连接肋板(112)的另一端连接在内层薄壁吸能结构(2)的中空的大正棱柱的外侧边；第四连接肋板(114)的一端连接在两块钢板(111)的夹角处，另一端连接在内层薄壁吸能结构(2)的中空的大正棱柱(22)的棱角外侧。

2.根据权利要求1所述多胞薄壁吸能结构，其特征在于，所述两块钢板(111)之间的夹角的度数为：α＝180°-360°/n，其中的n为内层薄壁吸能结构(2)的棱边的数量。

3.根据权利要求1或2所述多胞薄壁吸能结构，其特征在于，所述小正棱柱(21)和大正棱柱(22)均为七棱柱、六棱柱、五棱柱、四棱柱或者三棱柱。

4.根据权利要求3所述的一种多胞薄壁吸能结构，其特征在于，所述多胞薄壁吸能结构由铝合金材料一次挤压成型而成。

5.一种权利要求1至4任意一项所述的多胞薄壁吸能结构的应用结构，其应用于电动汽车的前纵梁中，其包括：

核心层、复合材料纵梁以及多胞薄壁吸能结构；

所述核心层位于前纵梁应用结构的最内层，所述复合材料纵梁位于前纵梁应用结构的最外层，所述多胞薄壁吸能结构位于所述核心层和所述复合材料纵梁之间。