CN106004745B - 一种抗缺陷的折痕式吸能盒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗缺陷的折痕式吸能盒，是一种可以抵抗缺陷的改进型折痕纹路引入到薄壁管件作为碰撞吸能盒。该改进型折痕不仅可以引导薄壁管件的变形模式，还拥有较强的抵抗缺陷的能力。比照普通折痕式薄壁管，本发明的明显特征在于：将一个折痕式吸能盒中的钻石型凹角改进为双梯形型凹角，从而形成拥有能够有效抵抗缺陷的薄壁管件。本发明通过引入改进的折痕纹路，在保证其实现了高比吸能率和低峰值载荷要求的同时也使其具有较强的抗缺陷能力。此外，本发明具有结构简单，制造成本低的优点。

Description

一种抗缺陷的折痕式吸能盒

技术领域

本发明涉及汽车、火车、飞机等交通工具的结构制造技术领域，设计到各类交通工具在碰撞或者失事情况的安全性结构设计，特别涉及到一种在汽车撞击和飞行器失事着陆情况下能够吸收动能的碰撞吸能盒装置。

背景技术

目前，各种类型交通工具，如汽车、火车等由于日益加快的运行速度使得碰撞失事的概率不断增加，这类失事中产生的剧烈碰撞会给公众的生命和财产造成的难以承受的损失。在交通工具易于发生接触的部段安装特殊设计的吸能盒是目前各厂商解决碰撞问题的主要方法。对于各种各样的能量吸收与耗散的方式，薄壁结构金属管以及其衍生出的各种泡沫夹心管是非常常见的能量吸收构型。这些金属薄壁管的应用范围十分广泛，在汽车制造业有最为广泛的应用，除此之外，在航空航天工业，火车制造业，以及造船业等领域也可以经常见到。

以碰撞吸能盒应用最广泛的汽车领域为例，碰撞吸能盒一般安装在保险杠横梁与汽车框架纵梁之间，是车身结构中的主要吸能元件。在汽车领域的车身设计中，对于一些对安全性能要求较高的汽车型号，为了吸收高速碰撞带来的巨大动能，必须进一步提高保险杠系统的吸能能力，工程师会在保险杠横梁上并排安装若干碰撞吸能盒。性能优良的碰撞吸能盒设计能够控制冲击载荷维持在一个可控的范围内，使之不仅能保护乘客的安全也能够保护汽车主体结构不受过渡破坏。

各种各样的金属薄壁结构都有可能成为吸能构件，然而性能优异的吸能盒在冲击过程中需要有很高的比吸能(比吸能的定义为吸能盒吸收的总能量与自身质量的比值)和较低的峰值载荷。除此之外，还需要满足制造方的约束，包括结构简单，制作容易，成本低廉等。然而，考虑到碰撞过程中比较复杂的载荷工况，包括冲击速度快，冲击载荷不确定(可以是正面碰撞，也可以是斜撞)等，吸能盒还需要具备很好的抗缺陷能力。但是，目前在汽车产业中应用最多的吸能装置还是最为普通，最容易加工的方管和圆管。一般情况下这些方管和圆管会发生一些吸能效率比较低的变形模式，如对称模态和钻石模态，而这些固定的变形模态由于其较低的吸能性能而极大的限制了设备的能量吸收效果。为此有许多比较新颖的结构被应用于吸能盒的设计中。比如，有一种将折纸工艺应用到冲击吸能领域的一种专利，其专利授权公告号为CN 101638076B，名称为“一种折痕式碰撞吸能盒”，该专利公布了一种采用了一种含钻石型折痕的吸能盒，相较于普通的方管，这种吸能盒有着相对较高的平均力很很低的最大载荷。然而，由于钻石型折痕含有比狭长的尖角结构，使得这种吸能盒对缺陷较为敏感，在冲击环境比较复杂的情况下，即使是非常细微的缺陷也可能影响这种折痕式吸能盒的能量吸能效率。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是为各类交通工具失事，特别是汽车碰撞时提供一种易于制造、便于安装、成本低廉、能量吸收能力突出，且具有较优良的抗缺陷能力的碰撞吸能装置。

为实现上述目的，特别是要在保证良好吸能性能的提前下提高吸能盒的抗缺陷能力，本发明将采用如下技术方案：该碰撞吸能盒由沿轴向分布的一个或多个碰撞吸能盒单元构成，单个碰撞吸能盒单元具有下述结构：它是具有多边形截面的薄壁管件；它的每个角部区域有一个双梯形型凹角，这种双梯形凹角正是钻石型凹角的一种改进。碰撞吸能盒单元的多边形截面采用四边形、六边形或八边形。沿轴向方向的碰撞吸能盒单元长度是等长度的，或不等长度的设计。

将双梯形型凹角的折痕纹路引入到薄壁管件作为碰撞吸能盒，这种设计可以避免原来的钻石凹角所具有的狭长尖角结构，提升碰撞吸能盒的抗缺陷能力，这是本发明的核心内容。本发明与普通方管的显著区别是在方管的四个角部区域按照一定的距离引入一个凹角，这使得整个碰撞吸能盒从外型上看是由若干梯形平面组成。这种预先引入的凹角一方面可以引导吸能盒发生预先设定的变形模式，而这种变形模式可以极大的提高碰撞吸能盒的平均载荷；另一方面，它本身可以视为一种缺陷，以降低碰撞时的峰值载荷。而本发明与原来的折痕式吸能盒相比的显著区别是将钻石凹角改进为双梯形凹角，这使得钻石凹角所含有的尖角区域不再存在于碰撞吸能盒中，而正是这中尖角的存在使得碰撞吸能盒对缺陷十分敏感，在几何缺陷的影响下，钻石凹角中尖角区域极易发生一种类似于欧拉失稳的屈曲失稳，从而引导吸能盒发生一种吸能效率低下的对称模式。

另外，碰撞吸能盒的整体形状沿轴向是等截面直的或变截面倾斜的。变截面碰撞吸能盒设计是指碰撞吸能盒从侧面看是部分为矩形、部分为梯形，或全部为梯形，这样的设计要求临近的碰撞吸能盒模块之间具有成比例放大或缩小的关系。

在加工工艺上，本发明的碰撞吸能盒可以使用整体铸造或者各单元分段铸造焊接而得，在工业生产中这种方法成本低廉，且铸造使用的模具可以多次重复使用，但是针对不同壁厚的碰撞吸能盒可能需要多套模具。但是由于本发明本身的薄壁结构是可展的，所以也可以将板材放入模具中进行压制而成，但是这种工艺压制工艺是建立在对板材进行施加压力以致其变形的基础上，那么这种压力也可能会对板材造成不必要的损伤，需要后期热处理以除去其中的预应力。第三种工艺是可以采用增材技术，利用金属打印机打印碰撞吸能盒，目前来说，这种工艺加工成本较高，制作耗时。

附图说明

图1为本发明一种八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒成型后的示意图。

图2为八边形抗缺陷碰撞吸能盒的吸能效率与原折痕式碰撞吸能盒吸能效率对比图。

图3(a)为图一中八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒的半壳平面展开图；(b)是八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒的半壳成型后的示意图。

图4(a)为本发明中一种六边形截面抗缺陷碰撞吸能盒成型后示意图；(b)是十二边形截面抗缺陷碰撞吸能盒成型后示意图。

图5(a)为变截面的八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒；(b)是变截面的八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒半壳平面展开图。

附图标识：1八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒；2-1的八边形截面；3双梯形型凹角，1中用粗实线显示了其中一个双梯形型凹角；4双梯形型凹角附近的折痕；5-1的一个单元；6八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒半壳展开平面；7折痕，实线表示峰折痕，虚线表示谷折痕；8压制成型后的八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒半壳；9六边形截面抗缺陷碰撞吸能盒；10六边形截面抗缺陷碰撞吸能盒的一个单元；11十二边形截面抗缺陷碰撞吸能盒；12十二边形截面抗缺陷碰撞吸能盒的一个单元；13八边形变截面抗缺陷碰撞吸能盒；14八边形变截面抗缺陷碰撞吸能盒半壳展开平面。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

对于本说明中所有的图，相同或相对应的元件一般采用相同的数字标记表示。需要指出的是，说明中所有的图只是对该发明解释说明性的表示，而本发明不局限于这些表示。此外，图中各部分并非必然按实际比例表示。在某些条件下，那些对了解本发明没有影响或者会对其他细节的理解造成影响的细节部分可能会被忽略。

实施例1：图1八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒的一种实施方式。

所谓八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒1是指1的截面2为八边形。图2为八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒在有缺陷的条件下较原折痕式吸能盒吸能效率比较示意图，图中可以发现，抗缺陷吸能盒的吸能效率较原来的折痕式吸能盒有较大提升，且其随着双梯形凹角的底边变长的增加而增加。

这种八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒可以用合适的加工工艺制作而成。考虑到本发明的管壁是可展结构，所以在前期研究过程中，可以使用预压钢板的方法制作，以节约成本。在本发明中，碰撞吸能盒采用的是单元叠加的形式，其中单元5是指能够代表碰撞吸能盒形状的最小单元。不同长度的碰撞吸能盒可以通过沿轴向叠加若干个该单元得到，显然，用压制钢板的方法最多只能一次压制半个吸能盒，图3(a)中6描述了两个单元半壳展开后的形状，它们沿轴向的长度不必相同。半壳的表面为可展面，其优点在于采用板材压制成型时更为方便，生产成本低，加工精确性高。6即为板材下料图。半壳上的折痕7由平面上实线和虚线表示，其中实线表示峰折痕，虚线表示谷折痕。若按照平面上的折痕进行折叠或用模具压制，最终可以得到8中所示的成型后的半壳。与普通的矩形管半壳相比，该半壳在其角部各有一个双梯形型凹角3。由于半壳含有两个单元，所以成型后8共有四个双梯形型凹角3。因此，图1中的碰撞吸能盒则可以由两个图3(b)中的半个吸能盒8组合焊接而成。

实施例2：图4(a)六边形截面抗缺陷碰撞吸能盒的一种实施方式。

所谓六边形截面抗缺陷碰撞吸能盒是指吸能盒9的截面为六边形。由于管壁为可展结构，所以六边形截面和八边形截面的抗缺陷碰撞吸能盒的加工工艺是相似的，只不过六边形只能由三分之一的吸能盒组装焊接而成。同样，沿轴向的单元10的长度也可以不同，单元10中的双梯形型单元3的大小和形状也可以不一样。

实施例3：图4(b)为十二边形截面抗缺陷碰撞吸能盒的一种实施方式。

所谓十二边形截面抗缺陷碰撞吸能盒是指吸能盒11的截面为十二边形。由于管壁为可展结构，所以十二边形截面和八边形截面的抗缺陷碰撞吸能盒的加工工艺也是相似的，只不过十二边形可以由二分之一，三分之一，或者六分之一的吸能盒组装焊接而成。同样，沿轴向的单元12的长度也可以不同，单元12中的双梯形型单元3的大小和形状也可以不一样。

实施例4：图5(a)为变截面的八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒的一种实施方式。图5(b)是变截面的八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒半壳平面展开图。

变截面意味着沿着轴向在不同的单元相同的位置的截面是变化的，相对于之前实例1中所述的八边形截面抗缺陷碰撞吸能盒，这种变截面的吸能盒只需要改变图3(a)中的折痕即可。调整后的折痕图见图5(b)。除了八边形以外，四边形、六边形、十二边形变截面抗缺陷碰撞吸能盒也可以由修改的折痕压制得到。

Claims (5)

1.一种抗缺陷的折痕式碰撞吸能盒，该吸能盒由沿轴向分布的一个或多个碰撞吸能盒单胞构成，整个碰撞吸能盒外型由若干梯形平面组成，该折痕式碰撞吸能盒的壁面均是可展的，即碰撞吸能盒的壁面展开后是平面，其特征在于：每个碰撞吸能盒单元具有下述结构：

A.具有偶数边的多边形截面薄壁管件；

B.每个角部区域有一个双梯形型凹角，形成预制的折痕纹路。

2.根据权利要求1所述的一种折痕式碰撞吸能盒，其特征还在于：所述多边形截面薄壁管件截面采用四边形、六边形和八边形，四边形包括正方形、矩形、菱形和梯形。

3.根据权利要求1或2所述的一种折痕式碰撞吸能盒，其特征还在于：碰撞吸能盒的整体形状沿轴向是等截面直的或变截面倾斜的。

4.根据权利要求1或2所述的一种折痕式碰撞吸能盒，其特征还在于：所述的双梯形型凹角还包括对其进行边长修改或在双梯形型凹角的折痕处开孔。

5.根据权利要求3所述的一种折痕式碰撞吸能盒，其特征还在于：所述的双梯形型凹角还包括对其进行边长修改或在双梯形型凹角的折痕处开孔。