CN106828381A - 一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，包括弧形防撞横梁、吸能盒和安装板，弧形防撞横梁的两端分别与吸能盒相连接，吸能盒与安装板相连接；弧形防撞横梁和吸能盒内部填充有多层级多稳态单胞结构，弧形防撞梁、吸能盒和安装板组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。本发明引入具有特定多稳态力学特性的变尺度多稳态单胞阵列结构作为关键填充材料，使防撞梁和吸能盒的整体和局部结构都具有多稳定构型变换能力，并且借助层级尺度递变特性实现由柔变刚的功能，在不同的碰撞等级载荷作用下通过不同稳定构型之间切换将外界冲击能转变为自身变形能，不进行变形传递，有效抑制和阻隔变形向车辆其它部位传递，并减缓碰撞强度。

Description

一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成

技术领域

本发明涉及车辆碰撞安全与智能结构领域，尤其涉及一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成。

背景技术

防撞梁是汽车车身的重要组成部分，在“低速碰撞”和“行人保护”两方面起着关键性的作用，因而如何改善其抗撞性能(如传力性能、吸能效率和强度等)是汽车被动安全领域的研究热点问题。目前的防撞梁主要采用不同的单一截面形状(矩形、三角形)或填充蜂窝材料(六边形或八边形蜂窝结构)的方法增大其缓冲及吸能能力。实际上，事故伤亡统计分析结果表明，在低速碰撞过程中防撞梁更需要吸收冲击能量和撞后变形恢复功能以保护行人或驾乘人员生命安全，同时能够抑制变形的传递路径防止挤压发动机或油路系统而引发二次事故。另外，在高速碰撞过程中需要将冲击力合理导向车架并分散给整个车身，避免车体局部区域变形过大而导致乘客伤亡。因此，需要在防撞梁设计中既考虑冲击吸能特性，又要考虑力和变形的传递路径问题。

现有的防撞梁普遍采用矩形横梁填充蜂窝材料或泡沫材料的方式来提升整体结构的吸能特性，但在变形和冲击力的抑制或引导方面较为欠缺。例如，申请号为201510076507X的发明专利给出了一种横梁内部填充有多空件的防撞横梁结构，单胞结构为六边形蜂窝结构，尽管该填充材料有效增加了防撞梁的抗弯刚度，但同时也会增加行人碰撞的伤害系数；申请号为201610606876X的发明专利给出了一种截面为目字形的防撞横梁和8字形截面吸能盒总成结构，但分析其力学特性可以发现，横梁碰撞变形将直接向后传递至吸能盒，并由吸能盒传递给车身进而造成二次伤害隐患，并且横梁刚度仍然很大不利于碰撞行人保护；申请号为2016106068609的发明专利给出的防撞梁为空腔式结构，无法撞后实现变形恢复；申请号为2016107502031的发明专利给出了一种在导柱上布置弹簧的汽车吸能防撞梁，由于在防撞梁上额外增加了螺栓连接盘、导柱和弹簧等部件，存在结构复杂的问题，并且导柱刚性的碰撞危害性更大。再如，论文“泡沫铝填充结构防撞梁耐撞性仿真研究”(兵器材料科学与工程.36(6)，2013.11.)也验证了泡沫填充结构可以有效提升原型防撞梁的屈服力和吸能特性，但填充结构的功能仅限于提升抗弯曲能力，而对于行人保护和变形引导与自恢复方面存在欠缺。文献综合调研发现，现有的汽车防撞梁总成难以同时满足行人保护、低速碰撞吸能和高速碰撞变形传递的应用需求。因此，需要设计既刚又柔，且具有高吸能特性和变形引导与抑制的新型防撞梁总成。

发明内容

针对现有汽车防撞梁总成在行人保护、低速碰撞吸能和高速碰撞变形传递等方面存在的问题，而提供一种与现有防撞梁总成填充结构和功能完全不同的新型防撞梁总成，即一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成。本发明主要包括弧形防撞横梁、多稳态吸能盒和安装板，首次引入具有特定多稳态力学特性的变尺度多稳态单胞阵列结构作为弧形防撞横梁和吸能盒的填充材料，且弧形防撞横梁本身具有双稳态特性。通过不同层级结构的尺度递变和多个稳定构型变换来达到高效吸收冲击能、局部变形引导与抑制和行人保护的性能需求。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于：包括弧形防撞横梁、吸能盒和安装板，所述弧形防撞横梁的两端分别与所述吸能盒相连接，所述吸能盒与所述安装板相连接；所述弧形防撞横梁和所述吸能盒内部填充有多层级多稳态单胞结构，所述弧形防撞梁、所述吸能盒和所述安装板组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。

进一步地，所述弧形防撞横梁具有多稳态结构，由阵列式多层级多稳态单胞结构填充，所述弧形防撞横梁由可动外盖和横梁固定板组成。

进一步地，所述多层级多稳态单胞结构由2个弧形梁和2个纵梁首尾依次连接构成，多个单胞之间通过共用纵梁的方式互连形成层状结构，各层之间通过弧形梁中点处的纵梁依次连接形成阵列填充结构。

进一步地，所述多层级多稳态单胞结构中的弧形梁为具有双稳态特征的结构，包括拱形梁、余弦梁、曲梁、拱形板、余弦轮廓板和类球缺式的鼓包结构。

进一步地，所述吸能盒由多层级双稳态单胞结构组成，并与所述弧形防撞横梁和所述安装板连接。双稳态单胞结构无需外力，结构能够保持在两个稳定状态。单胞结构具有双稳态特性，通过在不同的层上布置不同尺寸的双稳态单胞结构连接，使整个横梁结构可以稳定保持在多个稳定状态。

进一步地，所述弧形防撞横梁和所述吸能盒包含的各层级多稳态单胞结构的几何尺寸逐渐增加。几何尺寸变化是有序的，结构有外向内尺寸依次增加。

进一步地，所述弧形防撞横梁的外轮廓可为余弦、拱形、弧形或V形结构。

进一步地，所述可动外盖为开口矩形腔体结构，所述可动外盖的顶盖与其内部填充的由所述多层级多稳态单胞结构组成的多胞结构连接，所述可动外盖的侧盖与其内部填充的多胞结构存在间隙，不连接。

进一步地，所述横梁固定板与所述弧形防撞横梁内填充的多胞结构的最外层连接，并与所述吸能盒的一端连接。

进一步地，防撞梁总成的材料为轻质金属或复合材料。

较现有技术相比，本发明第一次将多稳态单胞结构应用于汽车防撞梁总成设计中，具有以下优点：

1、引入具有特定多稳态力学特性的变尺度多稳态单胞阵列结构作为防撞横梁和吸能盒的填充材料，使整体防撞梁总成结构具有多种稳定构型，在不同的碰撞等级载荷作用下防撞横梁和吸能盒在多个稳定构型之间切换，即将外界冲击能存储于自身的结构变形能，不进行变形传递，有效抑制和阻隔变形向车身的传递，避免发生碰撞事故二次伤害，保护驾乘人员的生命安全。

2、借助多稳态结构的变形存在互逆性，当碰撞结束后，可以借助外力将防撞梁和吸能盒恢复原貌，恢复其碰撞吸能保护特性，降低事故车辆的修复成本。

3、本发明率先引入层级多胞结构变尺度的概念，通过不同层级结构的尺度递变实现防撞梁整体结构由柔变刚的过程，达到保护行人的目的。

本发明还具有制造工艺简单，多稳态特性可调，跳转特性稳定、重复性好的优点，还可适用于空间飞行器返回、建筑安全保护装置、仪器避撞保护系统等各类碰撞安全保护系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成的结构示意图。

图2是本发明多稳态单胞结构的示意图。

图3是本发明防撞横梁局部剖视图。

图4是本发明多级多稳态吸能盒的结构剖视图(尺寸渐变)。

图5是本发明可动外盖与内部填充多层级多稳态单胞结构的示意图。

图6是本发明防撞横梁的多级变形保护策略图。

图7是第一层级单胞结构的力位移关系曲线。

图8是第二层级单胞结构的力位移关系曲线。

图9是第三层级单胞结构的力位移关系曲线。

图10是第四层级单胞结构的力位移关系曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，包括弧形防撞横梁100、吸能盒200和安装板300。所述弧形防撞横梁100的两端分别与所述吸能盒200相连接，所述吸能盒200与所述安装板300相连接；所述弧形防撞横梁100和所述吸能盒200内部填充有多层级多稳态单胞结构101，所述弧形防撞梁100、所述吸能盒200和所述安装板300组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。防撞梁总成的材料为轻质金属或复合材料。

所述弧形防撞横梁100具有多稳态结构，由阵列式多层级多稳态单胞结构101(如图2所示)填充，所述弧形防撞横梁100由可动外盖105和横梁固定板104组成。所述多层级多稳态单胞结构101由2个弧形梁和2个纵梁首尾依次连接构成，多个单胞之间通过共用纵梁的方式互连形成层状结构，各层之间通过弧形梁中点处的纵梁依次连接形成阵列填充结构。所述多层级多稳态单胞结构101中的弧形梁为具有双稳态特征的结构，包括拱形梁、余弦梁、曲梁、拱形板、余弦轮廓板和类球缺式的鼓包结构。如图3所示，所述多层级多稳态单胞结构101所在的弧形梁Ⅰ、弧形梁Ⅱ102和弧形梁Ⅲ分别为三条不同尺寸的弧形梁，具有不同的稳态特性。

所述吸能盒200由多层级双稳态单胞结构201组成，双稳态单胞结构无需外力，结构能够保持在两个稳定状态。单胞结构具有双稳态特性，通过在不同的层上布置不同尺寸的双稳态单胞结构连接，使整个横梁结构可以稳定保持在多个稳定状态，并与所述弧形防撞横梁100和所述安装板300连接。

所述弧形防撞横梁100和所述吸能盒200包含的各层级多稳态单胞结构的几何尺寸逐渐增加。几何尺寸变化是有序的，结构有外向内尺寸依次增加。所述弧形防撞横梁100的外轮廓可为余弦、拱形、弧形或V形结构。

如图4所示，双稳态弧形梁Ⅰ202、双稳态弧形梁Ⅱ203、双稳态弧形梁Ⅲ204、双稳态弧形梁Ⅳ205分别为不同尺寸和具有不同特性的双稳态弧形梁，可适用于不同的碰撞强度。

如图5所示，所述可动外盖105为开口矩形腔体结构，所述可动外盖105的顶盖107与其内部填充的由所述多层级多稳态单胞结构101组成的多胞结构连接，所述可动外盖105的侧盖106与其内部填充的多胞结构存在间隙，不连接。所述横梁固定板104与所述弧形防撞横梁100内填充的多胞结构的最外层连接，并与所述吸能盒200的一端连接。

如图6所示，是防撞横梁的多级变形保护策略(结合图3、4解释)，当碰撞强度较低时，弧形防撞横梁100最外层单胞结构快速发生变形，减缓碰撞强度并将碰撞变形抑制于第一层单胞结构，即一级碰撞保护。当外界碰撞强度较大时，第二层单胞快速发生变形并减缓碰撞强度，抑制碰撞变形向车身传播，即二级碰撞保护。当碰撞强度进一步增大时，吸能盒200结构发生变形吸能，抑制碰撞能量向车身传播，即三级碰撞保护。当碰撞强度最大时，防撞横梁结构整体发生变形，以减缓碰撞强度，实现四级碰撞保护。整体而言，结构具有多个的跳跃阈值力。当发生一级碰撞时，碰撞作用力处于一级单胞的跳跃阈值力和二级单胞的跳跃阈值力之间，一级单胞发生较大变形吸收碰撞能量。随着碰撞等级的升高，碰撞作用力升高且超过了更高层级单胞的跳跃阈值力，更多厚度较厚的高层级单胞也发生跳跃变形吸收能量，结构吸收的碰撞能量也越多。此外，结构在低速碰撞时发生多级大行程弹性形变，平均作用力较小，有利于保护行人，在碰撞后可恢复原状，有利于防撞梁的重复使用，节省维修成本。

如图7所示，是第一层级单胞结构的力位移关系曲线，作用力极大值点是单胞结构的跳跃阈值力，作用力极小值点是单胞结构的稳态保持力。结构的初始位置为第一稳态位置，在外界碰撞力的作用下，结构发生变形，当外界碰撞惯性力达到跳跃阈值力时，单胞结构迅速达到第二稳态位置，并将一部分碰撞能量吸收储存起来。同理，图8-10是防撞横梁、吸能盒单胞结构的力位移曲线，在不同的碰撞惯性力作用下，单胞结构依次发生对应的碰撞变形，并存储碰撞能量，保护乘员安全。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于：包括弧形防撞横梁(100)、吸能盒(200)和安装板(300)，所述弧形防撞横梁(100)的两端分别与所述吸能盒(200)相连接，所述吸能盒(200)与所述安装板(300)相连接；所述弧形防撞横梁(100)和所述吸能盒(200)内部填充有多层级多稳态单胞结构(101)，所述弧形防撞梁(100)、所述吸能盒(200)和所述安装板(300)组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。

2.根据权利要求1所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述弧形防撞横梁(100)具有多稳态结构，由阵列式多层级多稳态单胞结构(101)填充，所述弧形防撞横梁(100)由可动外盖(105)和横梁固定板(104)组成。

3.根据权利要求1所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述多层级多稳态单胞结构(101)由2个弧形梁和2个纵梁首尾依次连接构成，多个单胞之间通过共用纵梁的方式互连形成层状结构，各层之间通过弧形梁中点处的纵梁依次连接形成阵列填充结构。

4.根据权利要求3所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述多层级多稳态单胞结构(101)中的弧形梁为具有双稳态特征的结构，包括拱形梁、余弦梁、曲梁、拱形板、余弦轮廓板和类球缺式的鼓包结构。

5.根据权利要求4所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述吸能盒(200)由多层级双稳态单胞结构(201)组成，并与所述弧形防撞横梁(100)和所述安装板(300)连接。

6.根据权利要求2或5所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述弧形防撞横梁(100)和所述吸能盒(200)包含的各层级多稳态单胞结构的几何尺寸逐渐增加。

7.根据权利要求1所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述弧形防撞横梁(100)的外轮廓可为余弦、拱形、弧形或V形结构。

8.根据权利要求2所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述可动外盖(105)为开口矩形腔体结构，所述可动外盖(105)的顶盖(107)与其内部填充的由所述多层级多稳态单胞结构(101)组成的多胞结构连接，所述可动外盖(105)的侧盖(106)与其内部填充的多胞结构存在间隙，不连接。

9.根据权利要求8所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述横梁固定板(104)与所述弧形防撞横梁(100)内填充的多胞结构的最外层连接，并与所述吸能盒(200)的一端连接。

10.根据权利要求1所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，防撞梁总成的材料为轻质金属或复合材料。