CN106838082A - 一种缓冲吸能结构 - Google Patents

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    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
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    • F16F1/36—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers
    • F16F1/37—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers of foam-like material, i.e. microcellular material, e.g. sponge rubber

Abstract

本发明公开了一种缓冲吸能结构，包括外管和设于外管内的内管，所述外管的内壁和所述内管的外壁之间设有至少两个泡沫层，所述泡沫层均填充有正泊松比泡沫材料或负泊松比泡沫材料，且相邻的所述泡沫层中的泡沫材料在径向方向上呈泊松比正负交替排列。本发明缓冲吸能结构，属于正负泊松比交替的泡沫夹芯管结构，合理利用正负泊松比泡沫材料的结构特点，一方面，显著提高结构的比能量吸收的值，另一方面使得变形过程平稳，冲击力的初始峰值载荷较低，而且，所述缓冲吸能结构，结构简单，技术手段简便易行，能实现快速生产，适合工业应用。

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
“安全、节能、环保”是当代汽车发展的三大主题，安全问题即耐撞性问题居于首位。节能与环保则要求结构具有轻质和高效吸能的特性。任何质量的增加都意味着消耗更多的燃料并对环境造成更多的污染。在汽车轻量化问题日益严峻的情况下，如何合理的设计性能良好的缓冲吸能结构，以满足汽车的耐撞性要求已成吸能结构设计的一个方向。
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
基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种同时具有较高缓冲吸能效率、较低的重量与较小的载荷峰值的缓冲吸能结构。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种缓冲吸能结构，包括外管和设于外管内的内管，所述外管的内壁和所述内管的外壁之间设有至少两个泡沫层，所述泡沫层均填充有正泊松比泡沫材料或负泊松比泡沫材料，且相邻的所述泡沫层中的泡沫材料在径向方向上呈泊松比正负交替排列。
本发明所述缓冲吸能结构，优势在于充分利用了正负泊松比泡沫之间的相互挤压作用。一方面，泡沫本身具有良好的能量吸收特性，响应曲线平稳，载荷一致性水平较好；另一方面，在冲击过程中，管壁的弯曲变形对泡沫形成挤压作用，进一步提高了泡沫的能量吸收。因此，泡沫结构本身就具有变形稳定，能量吸收能力强的特点。此外，与单管填充泡沫结构相比，本发明所述缓冲吸能结构，采用双管填充泡沫结构，管壁与泡沫的相互作用对能量吸收的贡献增加了一倍多，比能量吸收的值也提高了一倍左右。同时，采用正、负泊松比泡沫材料混合使用，充分发挥正、负泊松比泡沫材料的优点，结构的整体能量吸收能力得到显著的提高。
优选地，所述内管的外壁端的泡沫层填充有负泊松比泡沫材料，所述外管的内壁端的泡沫层填充有正泊松比泡沫材料。
负泊松比泡沫材料具有更强的抗压性能，但由于负泊松比泡沫材料受压收缩，所以负泊松比泡沫材料置于内层，对整体结构能量吸收的贡献是最明显的。正泊松比泡沫材料的抗压性能虽不及负泊松比泡沫材料，但正泊松比泡沫材料受压膨胀，加剧了泡沫与管壁的相互作用。这种混合泊松比泡沫填充在双层管内，充分发挥了正、负泊松比泡沫的优点，结构的整体能量吸收能力得到了更显著的提高。
优选地，相邻的所述泡沫层通过焊接、粘接或者3D打印一次成型实现连接。
优选地，从所述内管的外壁起，在径向方向上，每相邻两层泡沫层为一组，每组的两层泡沫层中泡沫材料的泊松比绝对值相同。
更优选地，从所述内管的外壁至所述外管的内壁，每组的两层泡沫层中泡沫材料为一组泡沫材料，且在所述内管的外壁至所述外管的内壁的径向方向上，各组泡沫材料的泊松比的绝对值依次递增。
泊松比增加，泡沫与管壁之间的相互作用增强，但泊松比增大到一定程度，会引起内管的变形失稳现象；因此优选泊松比由内至外梯度变化的泡沫结构。
优选地，所述泡沫层中，泡沫材料的厚度、孔隙率、相对密度相同；优选地，所述泡沫层泡沫材料的相对密度为10％～30％。
对于规则的开孔泡沫，其屈服强度可以表示为：也就是说，相对密度越大，屈服强度越大；屈服强度较大的泡沫在轴向冲击下能够吸收较大的动能；另一方面，相对密度越大，意味着孔隙率越小，越接近实心结构，在轴向冲击下越容易出现整体失稳现象；因此泡沫的相对密度优选为10％～30％。
优选地，所述正泊松比泡沫材料为铝合金泡沫材料或聚氨酯泡沫材料。
优选地，所述负泊松比泡沫材料为采用三轴热压加工或3D打印工艺制备而成的网格结构。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明缓冲吸能结构，属于正负泊松比交替的泡沫夹芯管结构，合理利用正负泊松比泡沫材料的结构特点，一方面，显著提高结构的比能量吸收的值，另一方面使得变形过程平稳，冲击力的初始峰值载荷较低。
(2)本发明提出的缓冲吸能结构，结构简单，技术手段简便易行，三轴热压，3D打印等工艺能实现快速生产，适合工业应用。
附图说明
图1为本发明所述缓冲吸能结构的一种结构示意图；
图2为图1结构示意图中圈中所示局部结构的放大示意图；
其中，1为正泊松比泡沫材料，3为负泊松比泡沫材料，4为外管，5为内管。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述缓冲吸能结构的一种实施例，本实施例所述缓冲吸能结构的结构示意图如附图1和附图2所示，包括
外管4和设于外管4内的内管5，外管4的内壁和内管5的外壁之间设有四个泡沫层，泡沫层均填充有正泊松比泡沫材料或负泊松比泡沫材料，相邻的两个泡沫层通过焊接实现连接，且相邻的泡沫层中的泡沫材料在径向方向上呈泊松比正负交替排列，内管5的外壁端的泡沫层填充有负泊松比泡沫材料3，外管4的内壁端的泡沫层填充有正泊松比泡沫材料1，从内管5的外壁起，在径向方向上，每相邻两层泡沫层为一组，每组的两层泡沫层中泡沫材料的泊松比绝对值相同，从所述内管的外壁至所述外管的内壁，每组的两层泡沫层中泡沫材料为一组泡沫材料，且在所述内管的外壁至所述外管的内壁的径向方向上，各组泡沫材料的泊松比的绝对值依次递增，所述泡沫层中，泡沫材料的厚度、孔隙率、相对密度相同，正泊松比泡沫材料为铝合金泡沫材料，负泊松比泡沫由传统正泊松比泡沫(铝泡沫)三轴热压加工而成的拉胀网格结构。
实施例2
本发明所述缓冲吸能结构的一种实施例，本实施例所述缓冲吸能结构的结构示意图如附图1和附图2所示，包括
外管4和设于外管4内的内管5，外管4的内壁和内管5的外壁之间设有六个泡沫层，泡沫层均填充有正泊松比泡沫材料或负泊松比泡沫材料，相邻的两个泡沫层通过粘接实现连接，且相邻的泡沫层中的泡沫材料在径向方向上呈泊松比正负交替排列，内管5的外壁端的泡沫层填充有负泊松比泡沫材料3，外管4的内壁端的泡沫层填充有正泊松比泡沫材料1，从内管5的外壁起，在径向方向上，每相邻两层泡沫层为一组，每组的两层泡沫层中泡沫材料的泊松比绝对值相同，从所述内管的外壁至所述外管的内壁，每组的两层泡沫层中泡沫材料为一组泡沫材料，且在所述内管的外壁至所述外管的内壁的径向方向上，各组泡沫材料的泊松比的绝对值依次递增，所述泡沫层中，泡沫材料的厚度、孔隙率、相对密度相同，正泊松比泡沫材料为聚氨酯泡沫材料，负泊松比泡沫由传统正泊松比泡沫(聚氨酯泡沫)采用3D打印工艺制备得到的拉胀网格结构。
实施例3
本发明所述缓冲吸能结构的一种实施例，本实施例所述缓冲吸能结构的结构示意图如附图1和附图2所示，包括
外管4和设于外管4内的内管5，外管4的内壁和内管5的外壁之间设有两个泡沫层，两个泡沫层通过3D打印一次成型实现连接，且内管5的外壁端的泡沫层填充有负泊松比泡沫材料3，外管4的内壁端的泡沫层填充有正泊松比泡沫材料1，两层泡沫层中泡沫材料的泊松比绝对值相同，泡沫材料的厚度、孔隙率、相对密度相同，正泊松比泡沫材料为聚氨酯泡沫材料，负泊松比泡沫由传统正泊松比泡沫(铝合金泡沫材料)采用3D打印工艺制备得到的拉胀网格结构。
本发明所述缓冲吸能结构，优势在于充分利用了正负泊松比泡沫之间的相互挤压作用。一方面，泡沫本身具有良好的能量吸收特性，响应曲线平稳，载荷一致性水平较好；另一方面，在冲击过程中，管壁的弯曲变形对泡沫形成挤压作用，进一步提高了泡沫的能量吸收。因此，泡沫结构本身就具有变形稳定，能量吸收能力强的特点。此外，与单管填充泡沫结构相比，本发明所述缓冲吸能结构，采用双管填充泡沫结构，管壁与泡沫的相互作用对能量吸收的贡献增加了一倍多，比能量吸收的值也提高了一倍左右。同时，采用正、负泊松比泡沫材料混合使用，充分发挥正、负泊松比泡沫材料的优点，结构的整体能量吸收能力得到显著的提高。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种缓冲吸能结构，其特征在于，包括外管和设于外管内的内管，所述外管的内壁和所述内管的外壁之间设有至少两个泡沫层，所述泡沫层均填充有正泊松比泡沫材料或负泊松比泡沫材料，且相邻的所述泡沫层中的泡沫材料在径向方向上呈泊松比正负交替排列。
2.如权利要求1所述的缓冲吸能结构，其特征在于，所述内管的外壁端的泡沫层填充有负泊松比泡沫材料，所述外管的内壁端的泡沫层填充有正泊松比泡沫材料。
3.如权利要求1所述的缓冲吸能结构，其特征在于，相邻的所述泡沫层通过焊接、粘接或者3D打印一次成型实现连接。
4.如权利要求1～3任一项所述的缓冲吸能结构，其特征在于，从所述内管的外壁起，在径向方向上，每相邻两层泡沫层为一组，每组的两层泡沫层中泡沫材料的泊松比绝对值相同。
5.如权利要求4所述的缓冲吸能结构，其特征在于，从所述内管的外壁至所述外管的内壁，每组的两层泡沫层中泡沫材料为一组泡沫材料，且在所述内管的外壁至所述外管的内壁的径向方向上，各组泡沫材料的泊松比的绝对值依次递增。
6.如权利要求1或5所述的缓冲吸能结构，其特征在于，所述泡沫层中，泡沫材料的厚度、孔隙率、相对密度相同。
7.如权利要求1所述的缓冲吸能结构，其特征在于，所述正泊松比泡沫材料为铝合金泡沫材料或聚氨酯泡沫材料。
8.如权利要求1所述的缓冲吸能结构，其特征在于，所述负泊松比泡沫材料为采用三轴热压加工或3D打印工艺制备而成的网格结构。
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