CN105398099B - 一种梯度蜂窝复合体及其制作方法和应用结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种梯度蜂窝复合体，其包括：多个为中空结构的胞元单体；沿着X轴和Y轴所在的平面截取该梯度蜂窝复合体后，同一截面内的多个胞元单体的厚度相同；沿Z轴方向，每个胞元单体的厚度变化，其中变厚区某一点x的厚度按照梯度值计算得到。本发明能够通过选择最佳的梯度参数，较容易地优化出蜂窝厚度变化模式。与传统蜂窝相比，该梯度蜂窝填充复合材料薄壁结构受到梯度方向的冲击载荷时，能够吸收更多的能量，并且材料利用率更高；在碰撞过程中，冲击力比较平稳，具有更好地耐撞性能。该梯度蜂窝与复合材料薄壁结构组成的新型车身结构，在实现车身结构大幅度轻量化的同时，还提高了结构的耐撞性能以及整车的安全性能。

Description

一种梯度蜂窝复合体及其制作方法和应用结构
技术领域
本发明涉及汽车领域，尤其涉及一种梯度蜂窝复合体及其制作方法和应用结构。
背景技术
随着新能源汽车的发展，安全和轻量化成为新能源汽车发展的关键技术，纤维增强复合材料由于其较高的比强度、比刚度，在电动车车身轻量化中倍受青睐。近年来，复合材料已经从汽车装饰件逐步向次承力件和主承力件过度，然而利用这些复合材料的薄壁车身结构在受到冲击载荷时，容易产生不稳定的变形模式，不能很好地吸收能量。因此如何设计具有较好耐撞性能的复合材料车身结构件成为了新能源汽车结构设计的一个研究热点。
蜂窝材料是多孔材料的典型代表形式之一，研究表明当其作为薄壁结构的填充芯体时，能使结构的吸能值远远超过薄壁结构和蜂窝结构单独受载时所吸收能量的总和，并且能够提高薄壁结构的变形稳定性，使结构产生更有利的变形模式。因此，将蜂窝材料作为复合材料薄壁结构的填充芯体时，能够大幅度提高结构的耐撞性能。
然而，传统的蜂窝复合体是由等厚度的金属箔材制成，其面内和面外方向的壁厚是均匀一致的。以该类传统蜂窝复合体为填充芯体的薄壁结构受到冲击载荷时，会产生较大的初始峰值载荷，并且在后期的变形过程中容易失稳从而导致不良的变形模式。在汽车碰撞中，过高的峰值载荷会对人体造成极大的伤害甚至死亡，不良的变形模式也不利于能量吸收，同时传统蜂窝填充结构材料利用率较低，不利于结构的轻量化。
发明内容
为克服传统蜂窝复合体存在的吸能功能差不利于结构的轻量化的技术问题，本发明提供一种梯度蜂窝复合体及其制作方法和应用结构，本发明能够提升结构的能量吸收能力且能够使车身结构轻量化。
为实现本发明的目的，本发明提供一种梯度蜂窝复合体，其包括：
多个胞元单体；所述胞元单体为中空结构，沿着X轴和Y轴所在的平面截取该梯度蜂窝复合体后，同一截面内的多个胞元单体的厚度相同；沿Z轴方向，每个胞元单体的厚度变化，根据变化的厚度，将胞元单体分为薄区、厚区以及变厚区，其中变厚区某一点x的厚度按照如下幂指数函数计算得到：
其中，ta为等厚度区域的薄区对应的厚度值；tb等厚度区域的厚区对应的厚度值；tx为变厚度区某一位置x的厚度值；Bx为是变厚度区某一位置x到薄区的距离；h为变厚度区的长度；d为梯度值。
本发明还提供一种梯度蜂窝复合体的制作方法，包括：
步骤11、以金属铝带为胚料，采用柔性轧辊技术，调整上辊、下辊之间的距离，制成沿轧制方向具有变化厚度的铝箔；
步骤12、将变厚度铝箔的梯度方向垂直于上轧辊、下轧辊的轧制方向放置，经过轧制、辊压后，得到沿垂直于轧制方向具有变化厚度的波纹状瓦楞板；
步骤13、采用一定的工装夹具将瓦楞板叠合固定，且保证每个胞元单体的变厚区沿Z轴方向变化；
步骤14、通过胶结或钎焊的方法将叠合的瓦楞板连接起来，制得纵向梯度蜂窝复合体。
本发明还提供一种梯度蜂窝复合体，其包括：
多个胞元单体；所述胞元单体为中空结构；
沿着X轴和Z轴所在的平面截取该梯度蜂窝复合体后，梯度蜂窝复合体在面内方向被分为多个厚度区域，每个厚度区域内包含的胞元单体个数相同；且沿Y方向，同一厚度区域内的胞元单体的壁厚相同；
不同厚度区域的厚度按照如下梯度函数递增：
其中1<i≤n，t1为最小厚度区域的厚度，tn为最大厚度区域的厚度；i为第i个厚度区域，n为整个蜂窝结构的厚度区域数；d为梯度值。
本发明还提供一种梯度蜂窝复合体的制作方法，包括：
步骤21、根据每个厚度区域所需，将金属铝带轧制为铝箔；且每一种厚度的铝箔分区域放置；
步骤22、将不同厚度区域内的铝箔分别轧制或辊压呈具有波纹状的瓦楞板7；
步骤23、采用一定的工装夹具取厚度区域内的瓦楞板放置在梯度蜂窝复合体的相对应的厚度区并叠合固定；
步骤24、通过胶结或钎焊的方法将叠合的瓦楞板连接起来，制得横向梯度蜂窝复合体。
本发明还提供一种梯度蜂窝复合体的应用结构，所述应用结构包括：梯度蜂窝复合体和包裹其的管材。
本发明还提供一种梯度蜂窝复合体的应用结构，所述应用结构包括：
上面板、下面板以及位于上面板和下面板之间的梯度蜂窝复合体。
本发明还提供一种梯度蜂窝复合体的应用结构，所述应用结构应用在电动车复合材料前纵梁中，包括：
核心层、复合材料纵梁以及梯度蜂窝复合体；
所述核心层位于应用结构的最内层，复合材料纵梁位于应用结构的最外层，梯度蜂窝复合体位于核心层和复合材料纵梁之间。
本发明还提供一种梯度蜂窝复合体的应用结构，所述应用结构应用在电动车复合材料门槛梁中，包括：
核心层、门槛梁以及梯度蜂窝复合体；
核心层设置在门槛梁内，其之间形成空腔；梯度蜂窝复合体62填充在核心层和门槛梁之间的空腔中。
本发明还提供一种梯度蜂窝复合体的应用结构，所述应用结构应用在复合材料发动机罩中，包括：
核心层、发动机罩以及梯度蜂窝复合体；
所述核心层按照发动机罩设计要求制作并嵌入在纵向梯度蜂窝复合体的内部，且二者胶结在一起形成芯体；发动机罩设置有内板和外板，且二者之间设置有空腔，该空腔中充填有胶结在一起的芯体。
本发明的有益效果在于：
该梯度蜂窝材料能够由较少的加工步骤制得，并且成本较低、容易实现批量生产。本发明能够通过选择最佳的梯度参数，较容易地优化出蜂窝厚度变化模式。与传统蜂窝相比，该梯度蜂窝填充复合材料薄壁结构受到梯度方向的冲击载荷时，能够吸收更多的能量，并且材料利用率更高；在碰撞过程中，冲击力比较平稳，具有更好地耐撞性能。
该梯度蜂窝与复合材料薄壁结构组成的新型车身结构，在实现车身结构大幅度轻量化的同时，还提高了结构的耐撞性能以及整车的安全性能。
附图说明
图1为纵向的梯度蜂窝复合体的轴侧结构示意图；
图2为沿Z轴方向的纵向梯度蜂窝复合体的外壁的厚度变化示意图；
图3a为仅有变厚区的纵向梯度蜂窝复合体所使用的瓦楞板的截面示意图；
图3b为图3a的A-A示意图；
图3c为图3a的B-B示意图；
图3d为仅有变厚区的纵向梯度蜂窝复合体所使用的瓦楞板的结构示意图；
图4为纵向的梯度蜂窝复合体的制作方法示意图；
图5为横向的梯度蜂窝复合体的结构示意图；
图6为6个不同的厚度区域的横向梯度蜂窝复合体的XZ截面示意图；
图7为梯度蜂窝填充薄壁管结构的结构示意图；
图8为纵向梯度蜂窝三明治板的结构示意图；
图9为横向梯度蜂窝三明治板的结构示意图；
图10为梯度蜂窝复合体在电动车复合材料前纵梁中的应用结构示意图；
图11为梯度蜂窝复合体在电动车复合材料门槛梁中的应用结构示意图；
图12a为梯度蜂窝复合体在复合材料发动机罩中的应用结构示意图；
图12b为图12a的A-A剖视图；
图13为梯度蜂窝复合体在复合材料发动机罩中的应用结构中的芯体结构示意图。
附图中：
金属铝带1、上辊2、下辊3、铝箔4、上轧辊5、下轧辊6、波纹状瓦楞板7；直线21、凸曲线22、凹曲线23；管材61、梯度蜂窝复合体62；上面板71、下面板72；核心层91、复合材料纵梁92；核心层111、门槛梁112；核心层121、发动机罩122、芯体124。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方案进行详细说明。
本发明从降低初始峰值载荷，提升结构能量吸收能力的角度出发，并结合轻量化的要求，提出了一种梯度蜂窝复合体及其制作方法和相应的应用结构。
实施例一：
本发明提供一种梯度蜂窝复合体，其为纵向的梯度蜂窝复合体，其结构如图1至图3所示，包括：多个胞元单体。
该胞元单体的截面可以为中空的多边形，也可以为中空的圆形。沿着X轴和Y轴所在的平面截取该梯度蜂窝复合体后，同一截面内的多个胞元单体的厚度相同；沿Z轴方向，每个胞元单体的厚度是变化的，如图2所示，分别为薄区、厚区以及变厚度区，对应的长度分别为lmin、lmax以及h，薄区、厚区为等厚区，变厚区某一点x的厚度按照如下幂指数函数计算得到：
其中，ta为等厚度区域的薄区对应的厚度值；tb等厚度区域的厚区对应的厚度值；tx为变厚度区某一位置x的厚度值；Bx为是变厚度区某一位置x到薄区的距离；h为变厚度区的长度；d为梯度值。
当梯度值d取不同值时，厚度的变化方式也随之改变。当d＝1时，变厚度区的厚度值按照线性方式变化，如图2中的直线21；当0<d<1时，厚度值按照“凸”幂指数函数曲线变化，例如凸曲线22；当1<d时，厚度值按照“凹”幂指数函数曲线变化，例如凹曲线23。
当薄区、厚区分别对应的长度lmin、lmax均为零时，胞元单体仅仅存在变厚度区。
上述纵向梯度蜂窝复合体的胞元单体可以瓦楞板制作而成，下面是胞元单体仅仅存在变厚度区情况下的瓦楞板的结构，如图3所示，该纵向梯度蜂窝复合体的薄区及厚区长度lmin＝lmax＝0，并且梯度值d＝1，即该梯度蜂窝在面外方向全部为变厚度区，且厚度值从a端到b端呈线性关系递增。
上述纵向的梯度蜂窝复合体的制造方法如如图4所示：
步骤11、以金属铝带1为胚料，采用柔性轧辊技术，实时调整上辊2、下辊3之间的距离，能够改变上述薄区、厚区以及变厚度区的长度值，从而制成沿轧制方向具有变化厚度的铝箔4，达到不同的设计需求。
步骤12、将变厚度铝箔的梯度方向垂直于上轧辊5、下轧辊6的轧制方向放置，经过轧制、辊压后，得到沿垂直于轧制方向具有变化厚度的波纹状瓦楞板7；
步骤13、采用一定的工装夹具将瓦楞板叠合固定，且保证每个胞元单体的变厚区沿Z轴方向变化；
步骤14、通过胶结或钎焊的方法将叠合的瓦楞板连接起来，从而制得纵向(Z轴方向)梯度蜂窝复合体。
实施例二：
本发明提供一种梯度蜂窝复合体，其为横向的梯度蜂窝复合体，其结构如图5所示，包括：多个胞元单体，该胞元单体的截面可以为中空的多边形，也可以为中空的圆形。沿着X轴和Z轴所在的平面截取该梯度蜂窝复合体后，梯度蜂窝复合体在面内方向被分为多个厚度区域，每个厚度区域内包含的胞元单体个数相同；且沿Y方向，同一厚度区域内的胞元单体的壁厚相同。
不同厚度区域的厚度按照梯度函数递增：
其中1<i≤n，t1为最小厚度区域的厚度，tn为最大厚度区域的厚度；i为第i个厚度区域，n为整个蜂窝结构的厚度区域数；d为梯度值。
当梯度值d取不同值时，厚度的变化方式也随之改变。当d＝1时，不同厚度区域的壁厚按照线性方式变化；当d≠1时，不同区域的蜂窝壁厚按照幂指数函数变化。
下面以6个不同的厚度区域的横向梯度蜂窝复合体为例来说明横向梯度蜂窝复合体的结构，如图6所示，横向梯度蜂窝复合体在面内方向被分为6个不同的厚度区域，每个厚度区域内包含的蜂窝胞元单体个数相同，且同一厚度区域内的所有蜂窝胞元单体的壁厚相同。最小厚度区域的厚度为t1，最大厚度区域的厚度为t6。
上述实施例二的横向梯度蜂窝复合体的制造如下。
步骤21、根据每个厚度区域所需，将金属铝带轧制为铝箔4；且每一种厚度的铝箔分区域放置。
步骤22、将不同厚度区域内的铝箔分别轧制或辊压呈具有波纹状的瓦楞板7；每一种厚度区域中的铝箔轧制或辊压呈具有波纹状的瓦楞板7的厚度一致，没有变化，但不同区域的瓦楞板7的厚度不同。
步骤23、采用一定的工装夹具取某种厚度的瓦楞板放置在梯度蜂窝复合体的相对应的厚度区并叠合固定。
步骤24、将叠合的瓦楞板连接起来，常用的连接方法有胶结和钎焊，按照此方法制得的横向(X轴和Z轴方向)的梯度蜂窝复合体。
实施例三：
本发明还提供一种梯度蜂窝复合体的应用结构，其结构如图7所示，包括梯度蜂窝复合体62和包裹其的管材61。因此也被称作梯度蜂窝填充薄壁管结构。其中的梯度蜂窝复合体62为纵向梯度蜂窝复合体，也可以为横向梯度蜂窝复合体；其中的管材由高强度纤维增强复合材料制作。
上述应用结构的制作工艺方法如下：
步骤31、根据设计需要选择所需梯度值的梯度蜂窝复合体，利用线切割的方法将所选择的梯度蜂窝复合体加工成所需的形状；
步骤32、将高强度纤维增强复合材料预成型板材均匀光滑地卷铺在梯度蜂窝复合体上；
步骤33、将结构放入真空袋内进行抽真空，随后放入热压罐进行固化。
实施例四
本发明还提供另一种梯度蜂窝复合体的应用结构，其结构如图8和图9所示，包括上面板71、下面板72以及位于上面板71和下面板72之间的梯度蜂窝复合体62。因此也被称为三明治结构。其中的上面板71和下面板72由高强度纤维增强复合材料板制成。其中的梯度蜂窝复合体62可以为图7中所示的纵向梯度蜂窝复合体，也可以为图8中所示的横向梯度蜂窝复合体。
夹心层为纵向梯度蜂窝复合体的三明治结构可用于抵抗较大冲击载荷的结构；夹心层为横向梯度蜂窝复合体的三明治结构可用于抵抗较小冲击载荷的结构。
实施例四的应用结构的制作工艺方法如下：
步骤41、根据设计需要选择所需梯度值的梯度蜂窝复合体，利用线切割的方法将梯度蜂窝复合体加工成所需的形状；
步骤42、将高强度纤维增强复合材料预成型板均匀光滑地铺放在梯度蜂窝复合体上，形成三明治结构；
步骤43、将三明治结构放入真空袋内进行抽真空，随后放入热压罐进行固化。
实施例五
本发明提供一种梯度蜂窝复合体的应用结构，其应用在电动车复合材料前纵梁中，其结构如图10所示，包括：核心层91、复合材料纵梁92以及梯度蜂窝复合体62。核心层91位于应用结构的最内层，复合材料纵梁92位于应用结构的最外层，梯度蜂窝复合体62为纵向梯度蜂窝复合体，位于核心层91和复合材料纵梁92之间。
该实施例五的制作工艺方法如下：
步骤51、核心层91经过辊弯、拉伸、压膜或复合材料成型工艺等方法得到所需的截面形状；
步骤52、采用线切割的方法将该纵向梯度蜂窝复合体62加工成所需形状，与核心层91进行胶结；
步骤53、分别将预浸料均匀光滑的铺放在预先制作的好左右两个凹模中，将梯度蜂窝复合体62与核心层91组成的芯体填充在两部分复合材料纵梁92的预成型体的空腔中，保证该纵向梯度蜂窝复合体62的壁厚由纵梁的前端向后端按照预设梯度连续递增。随后将模具闭合，并加热至150℃左右进行固化。为了达到较高的强度，固化时间约为45分钟左右。
实施例六
本发明提供一种梯度蜂窝复合体的应用结构，其应用在电动车复合材料门槛梁中，其结构如图11所示，包括核心层111、门槛梁112以及梯度蜂窝复合体62。核心层111设置在门槛梁112内，其之间形成空腔；梯度蜂窝复合体62为横向梯度蜂窝复合体，其填充在核心层111和门槛梁112之间的空腔中。
具体实施方案如下：
考虑到门槛梁要承受汽车在侧碰时受到侧向冲击，因此为了提高该结构的侧向能量吸收能力，将横向梯度蜂窝复合体62作为填充芯体。该蜂窝在横向方向被分为若干个密度不同的区域，且密度由外侧向内侧递增。其它实施过程与梯度蜂窝填充复合材料前纵梁的实施例相同，这里不再详细描述。
实施例七
本发明提供一种梯度蜂窝复合体的应用结构，其应用在复合材料发动机罩中，其结构如图12和图13所示，包括核心层121、发动机罩122以及梯度蜂窝复合体62。
梯度蜂窝复合体62为纵向梯度蜂窝复合体；核心层121按照发动机罩设计要求嵌入在纵向梯度蜂窝复合体的内部，且二者胶结在一起形成芯体124；发动机罩122有内板和外板，且二者之间设置有空腔，该空腔中充填有胶结在一起的芯体124。
实施例七的工艺制作方法如下：
步骤71、核心层121经过辊弯、拉伸、压膜或复合材料成型工艺等方法得到所需的截面形状；
步骤72、所使用的梯度蜂窝复合体62采用线切割的方法将该梯度蜂窝加工成所需形状，与核心层121进行胶结；
步骤73、分别将预浸料均匀光滑的铺放在发动机罩的内板模具以及外板模具上，并预埋上锁体及铰链附件。将梯度蜂窝复合体62与核心层121组成的芯体填充在发动机罩内板模具与外板模具之间，保证该梯度蜂窝复合体62的壁厚从发动机罩外板模具到内板模具按照预设梯度连续递增。将发动机罩外板模具与发动机罩内板模具闭合，加热至150℃左右进行固化，为了达到较高的强度，固化时间约为45分钟左右。
步骤74、外观进行喷漆抛光。
综上所述，本发明所述的梯度蜂窝复合体及其填充的复合材料薄壁件所组成的新型车身结构能够应用在具有大型空腔的纵梁、边梁和立柱中，梯度蜂窝复合体及核心层的填充，使得整个结构在碰撞过程中产生良好稳定的变形模式，有效的提高能量吸收值，并且在碰撞过程中具有较低的初始峰值载荷。本发明还可应用在大型覆盖件包括发动机罩、顶盖及车门等，使其具有更好的抗凹性能及较高的强度，并且在碰撞过程中能够吸收更多的能量。

Claims (9)

1.一种梯度蜂窝复合体，其特征在于，所述梯度蜂窝复合体包括：
多个胞元单体；
所述胞元单体为中空结构，沿着X轴和Y轴所在的平面截取该梯度蜂窝复合体后，同一截面内的多个胞元单体的厚度相同；沿Z轴方向，每个胞元单体的厚度变化，根据变化的厚度，将胞元单体分为薄区、厚区以及变厚区，其中变厚区某一点x的厚度按照如下幂指数函数计算得到：
其中，ta为等厚度区域的薄区对应的厚度值；tb等厚度区域的厚区对应的厚度值；tx为变厚度区某一位置x的厚度值；Bx为是变厚度区某一位置x到薄区的距离；h为变厚度区的长度；d为梯度值。
2.一种根据权利要求1所述的梯度蜂窝复合体的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
步骤11、以金属铝带(1)为胚料，采用柔性轧辊技术，调整上辊(2)、下辊(3)之间的距离，制成沿轧制方向具有变化厚度的铝箔(4)；
步骤12、将变厚度铝箔的梯度方向垂直于上轧辊(5)、下轧辊(6)的轧制方向放置，经过轧制、辊压后，得到沿垂直于轧制方向具有变化厚度的波纹状瓦楞板(7)；
步骤13、采用一定的工装夹具将瓦楞板叠合固定，且保证每个胞元单体的变厚区沿Z轴方向变化；
步骤14、通过胶结或钎焊的方法将叠合的瓦楞板连接起来，制得纵向梯度蜂窝复合体。
3.一种梯度蜂窝复合体，其特征在于，所述梯度蜂窝复合体包括：
多个胞元单体；所述胞元单体为中空结构；
沿着X轴和Z轴所在的平面截取该梯度蜂窝复合体后，梯度蜂窝复合体在面内方向被分为多个厚度区域，每个厚度区域内包含的胞元单体个数相同；且沿Y方向，同一厚度区域内的胞元单体的壁厚相同；
不同厚度区域的厚度按照如下梯度函数递增：
其中1<i≤n，t1为最小厚度区域的厚度，tn为最大厚度区域的厚度；i为第i个厚度区域，n为整个蜂窝结构的厚度区域数；d为梯度值。
4.一种根据权利要求3所述的梯度蜂窝复合体的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
步骤21、根据每个厚度区域所需，将金属铝带轧制为铝箔(4)；且每一种厚度的铝箔分区域放置；
步骤22、将不同厚度区域内的铝箔分别轧制或辊压呈具有波纹状的瓦楞板(7)；
步骤23、采用一定的工装夹具取厚度区域内的瓦楞板放置在梯度蜂窝复合体的相对应的厚度区并叠合固定；
步骤24、通过胶结或钎焊的方法将叠合的瓦楞板连接起来，制得横向梯度蜂窝复合体。
5.一种基于所述权利要求1或3所述的梯度蜂窝复合体的应用结构，其特征在于，所述应用结构包括：梯度蜂窝复合体(62)和包裹其的管材(61)。
6.一种基于所述权利要求1或3所述的梯度蜂窝复合体的应用结构，其特征在于，所述应用结构包括：
上面板(71)、下面板(72)以及位于上面板(71)和下面板(72) 之间的梯度蜂窝复合体(62)。
7.一种基于所述权利要求1或3所述的梯度蜂窝复合体的应用结构，其特征在于，所述应用结构应用在电动车复合材料前纵梁中，包括：
核心层(91)、复合材料纵梁(92)以及梯度蜂窝复合体(62)；
所述核心层(91)位于应用结构的最内层，复合材料纵梁(92) 位于应用结构的最外层，梯度蜂窝复合体(62)位于核心层(91)和复合材料纵梁(92)之间。
8.一种基于所述权利要求1或3所述的梯度蜂窝复合体的应用结构，其特征在于，所述应用结构应用在电动车复合材料门槛梁中，包括：
核心层(111)、门槛梁(112)以及梯度蜂窝复合体(62)；
核心层(111)设置在门槛梁(112)内，其之间形成空腔；梯度蜂窝复合体(62)填充在核心层(111)和门槛梁(112)之间的空腔中。
9.一种基于所述权利要求1或3所述的梯度蜂窝复合体的应用结构，其特征在于，所述应用结构应用在复合材料发动机罩中，包括：
核心层(121)、发动机罩(122)以及梯度蜂窝复合体(62)；
所述核心层(121)按照发动机罩设计要求制作并嵌入在纵向梯度蜂窝复合体(62)的内部，且二者胶结在一起形成芯体(124)；发动机罩(122)设置有内板和外板，且二者之间设置有空腔，该空腔中充填有胶结在一起的芯体(124)。
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