CN107097741B - 梯度复合碰撞吸能管件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种梯度复合碰撞吸能管件，包括梯度内管、梯度外管、铝泡沫填充层和纤维增强型布填充层，该梯度外管套设在梯度内管外，该铝泡沫填充层填满于梯度内管中，该纤维增强型布填满于梯度内管与梯度外管之间。它具有如下优点：能通过包括轴向溃缩、径向挤压、膨胀吸能、撕裂吸能等方式提高吸能效率，如应用在汽车上，在碰撞发生时，能最大限度保护汽车乘员的生命及其财产安全。

Description

梯度复合碰撞吸能管件
技术领域
本发明属于一种碰撞吸能装置，尤其涉及一种梯度复合碰撞吸能管件。
背景技术
碰撞吸能装置在保护人身生命、财产安全方面能发挥重大作用，如碰撞吸能装置之汽车被动安全性结构，下面以汽车被动安全性结构为例进行说明。它是车辆碰撞事故中最直接关乎乘员生命及财产安全的安全性保护措施，良好的被动安全性结构应具备高效的能量吸收特性，并以最稳定的能量耗散方式减轻乘员受到来自碰撞源的冲击力，保护乘员安全，最大限度减轻事故中人员的伤害程度。因此，车身上的吸能结构设计技术已成为目前汽车被动安全性设计中的关键技术。目前，大多数汽车车身的吸能结构仍然是普通薄壁管件(薄壁直管、薄壁锥管、薄壁波纹管)。首先，普通薄壁管件在发生碰撞时，主要采用传统的压缩变形吸能方式，这类吸能原件仅在皱缩处产生剧烈的塑形变形来吸收来自碰撞源的动能，变形模式较为单一，会导致吸能结构吸能不充分，材料利用率并不高。其次，普通薄壁管件很难适应汽车多角度斜向碰撞条件，碰撞源与汽车在多角度斜向冲击条件下容易发生失稳，能量吸收效率随冲击角度增大而大幅度降低，普通薄壁管件的局限性变得越来越明显。
发明内容
本发明提供了梯度复合碰撞吸能管件，其克服了背景技术中碰撞吸能装置所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
梯度复合碰撞吸能管件，包括梯度内管(10)、梯度外管(20)、铝泡沫填充层(30)和纤维增强型布填充层(40)，该梯度外管(20)套设在梯度内管(10)外，该铝泡沫填充层(30)填满于梯度内管(10)中，该纤维增强型布(40)填满于梯度内管(10)与梯度外管(20)之间。
一实施例之中：还包括能形成碰撞源冲击处的封闭端板(50)，该梯度内管(10)第一端口固定在该封闭端板(50)上，该梯度外管(20)第一端口接触配合该封闭端板(50)。
一实施例之中：该纤维增强型布填充层(40)通过纤维增强型布采用缠绕方式包裹在梯度内管(10)外周面而形成的。
一实施例之中：该梯度内管(10)的管壁厚度在轴向上呈梯度形式变化，该梯度内管(10)梯度形式变化为梯度内管(10)第二端口至第一端口厚度渐薄；该铝泡沫填充层(30)按照密度梯度形式填充在梯度内管(10)中，该密度梯度形式为朝封闭端板(50)由远至近呈由高向低变化。
一实施例之中：该梯度外管(20)一端呈外扩锥壁(21)，该外扩锥壁(21)外扩角度为θ，该外扩锥壁(21)端口为梯度外管(20)第一端口，该梯度外管(20)第一端口外径大于梯度外管(20)其余部分的外径，该梯度外管(20)的管壁厚度在轴向上呈梯度形式变化，该梯度外管(20)梯度形式变化为梯度外管(20)第二端口至外扩锥壁(21)之小径部分厚度渐薄。
一实施例之中：该梯度内管(10)的管壁厚度在轴向上呈梯度形式变化，该梯度内管(10)第一端口处的厚度为T1min，该梯度内管(10)第二端口处的厚度为T1max,该T1min小于T1max,该梯度内管(10)轴向高度为x1处的厚度大小符合公式其中，n为梯度内管(10)的梯度指数，L1为梯度内管(10)的总高度。
一实施例之中：该梯度外管(20)一端呈外扩锥壁(21)，该外扩锥壁(21)外扩角度为θ，该外扩锥壁(21)的端口为梯度外管(20)第一端口，该梯度外管(20)第一端口外径大于梯度外管(20)其余部分的外径。
一实施例之中：该封闭端板(50)周缘和梯度外管(20)第一端口周缘齐平。
一实施例之中：该外扩锥壁(21)之小径部分的厚度为T2min，该梯度外管(20)第二端口处的厚度为T2max,该T2min小于T2max,该梯度外管(20)轴向高度为x2处的厚度大小符合公式其中，n为梯度外管(20)的梯度指数，L2为梯度外管(20)的总高度。
一实施例之中：该铝泡沫填充层(30)按照密度梯度形式填充在梯度内管(10)中，该密度梯度形式为朝封闭端板(50)由远至近呈由高向低变化，该泡沫填充层(30)高度为x3处的密度值符合公式其中n为梯度指数，L3为泡沫填充层(30)的总高度。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
它包括梯度内管、梯度外管、铝泡沫填充层和纤维增强型布填充层，以能通过包括轴向溃缩、径向挤压、膨胀吸能、撕裂吸能等方式提高吸能效率，如应用在汽车上，在碰撞发生时，能最大限度保护汽车乘员的生命及其财产安全。它吸能方式多样化，多角度斜向冲击稳定，设计合理、结构简单，稳定性高，吸能效率高，有足够强度和韧性，使之能够承受一定强度的碰撞，以保护生命及财产安全。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是梯度复合碰撞吸能管件的结构剖面图。
图2是梯度内管的结构剖面图。
图3是铝泡沫填充层的结构示意图。
图4是梯度外管的结构剖面图。
图5是梯度外管俯视示意图。
图6是梯度指数曲线图。
具体实施方式
请查阅图1至图5，梯度复合碰撞吸能管件，包括梯度内管10、梯度外管20、铝泡沫填充层30、纤维增强型布填充层40和封闭端板50，该梯度外管20套设在梯度内管10外，该铝泡沫填充层30填满于梯度内管10中，该纤维增强型布40填满于梯度内管10与梯度外管20之间，该梯度内管10第一端口固定在该封闭端板50上，该梯度外管20第一端口接触配合该封闭端板50。该梯度内管10和梯度外管20同轴布置；该封闭端板50端面能形成碰撞源冲击处。该梯度内管10与梯度外管20都为空心圆管，材质如铝管，该封闭端板50如为铝制板或铝合金板。该梯度复合碰撞吸能管件能应用在汽车安全防护上，如应用在汽车安全防护上则属于汽车被动安全防护领域。
该纤维增强型布填充层40通过纤维增强型布采用缠绕方式逐层周向数圈连续包裹在梯度内管10外周面而形成的，用来填充梯度内管10与梯度外管20之间的间隙。该纤维增强型布填充层40如玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、碳纤维增强复合材料(CFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)等系列纤维增强型材料，但并不以此为限。
该梯度内管10的管壁厚度在轴向上呈梯度形式变化，该梯度内管10第一端口(图中上端)处的厚度为T1min，该梯度内管10第二端口(图中底端)处的厚度为T1max,该T1min小于T1max,该梯度内管10轴向高度为x1处的厚度大小符合公式其中，n为梯度内管10的梯度指数，L1为梯度内管10的总高度。
该梯度外管20一端呈外扩锥壁21，该外扩锥壁21外扩角度为θ，该外扩锥壁21的端口为梯度外管20第一端口(图中上端)，该梯度外管20第一端口外径大于梯度外管20其余部分的外径。该外扩锥壁21之小径部分的厚度为T2min，该梯度外管20第二端口(图中底端)处的厚度为T2max,该T2min小于T2max,该梯度外管20轴向高度为x2处的厚度大小符合公式其中，n为梯度外管20的梯度指数，L2为梯度外管20的总高度。
该铝泡沫填充层30填充在梯度内管10内部，该泡沫铝如在纯铝或铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，它同时兼有金属和气泡特征。该铝泡沫填充层30按照密度梯度形式填充在梯度内管10中，该密度梯度形式为朝封闭端板50由远至近呈由高向低变化，该泡沫填充层30高度为x3处的密度值符合公式其中n为梯度指数，L3为泡沫填充层30的总高度。
本实施例之中：梯度内管10、梯度外管20、铝泡沫填充层30之中：该L1＝L2＝L3，请查阅图6，它为梯度指数曲线图，如为梯度内管10则：梯度内管10的x1为图中的X，梯度内管10的L1为图中的L，梯度内管10的T1(x1)为图中的T(x)，梯度内管10的T1min为图中的Tmin，梯度内管10的T1max为图中的Tmax；如为梯度外管20则：梯度外管20的x2为图中的X，梯度外管20的L2为图中的L，梯度外管20的T2(x2)为图中的T(x)，梯度外管20的T2min为图中的Tmin，梯度外管20的T2max为图中的Tmax；如为泡沫填充层30则：泡沫填充层30的x3为图中的X，泡沫填充层30的L3为图中的L，泡沫填充层30的p(x3)为图中的T(x)，泡沫填充层30的pmin为图中的Tmin，泡沫填充层30的pmax为图中的Tmax。本实施例之中所提出的吸能结构可根据不同的碰撞环境及吸能要求匹配适当的梯度指数。通过设置合理的梯度方式，选择合适的梯度指数n，能够有效的提高结构整体在多角度斜向冲击下的力学承载与能量吸收稳定性，使其在多角度斜向冲击条件下稳定性大大提高，更好发挥材料的利用率，并且利于降低碰撞时的初始峰值力。
本实施例之中：该封闭端板50周缘和梯度外管20第一端口周缘齐平，即，封闭端板50直径和梯度外管20第一端口直径都为R1。
本发明中，通过梯度内管10，铝泡沫填充层30以及梯度外管20之间的梯度配合，能避免了普通吸能结构在斜向冲击下失稳而大幅度降低吸能效率、碰撞瞬间产生的初始峰值力过高等而危及生命及其财产安全的现象。而且除了在多角度斜向冲击条件下能发挥较高的稳定吸能效果与有效降低碰撞过程中的初始峰值力外，特殊的结构匹配设计也使得本发明具有多种吸能方式，使得材料的吸能效率进一步提高。具体来书，本发明能产生如下技术效果：
1.多角度斜向冲击条件下稳定性高。本发明中所述梯度内管与梯度外管的轴向壁面厚度、以及填充在梯度内管中的铝泡沫密度均为功能梯度形式，使得管体整体的底部横向刚度要大于顶部横向刚度，通过设置合理的梯度方式，选择合适的梯度指数，能够有效的提高结构整体在多角度斜向冲击下的稳定性，更好发挥材料的利用率，避免因吸能结构在斜向冲击下失稳而大幅度降低吸能效率危及汽车乘员的生命及其财产安全。
2.有效降低碰撞瞬间产生的初始峰值力，避免碰撞力过大造成的冲击危害。本发明中所述梯度内管与梯度外管的轴向壁面厚度、以及填充在梯度内管中的铝泡沫密度均为功能梯度形式，当碰撞源处的冲击传递到管件时，应力波最先传递到梯度内管，外管，以及铝泡沫的顶端。管件的顶部最先产生相应的形变，通过梯度的方式有效调节降低了管件顶部的刚度与强度，合理降低了碰撞时的初始峰值力。
3.能量吸收形式多样，吸能效率有效提高。本发明除了在多角度斜向冲击的条件下发挥较高的稳定吸能效果外，特殊的结构匹配设计使得本发明具有多种吸能方式。碰撞发生时，梯度内管端面最先受到冲击力的作用，梯度内管与填充于内部的铝泡沫材料很快受到轴向压缩，梯度内管与填充于内部的铝泡沫材料通过挤压形变的方式吸收能量。压缩过程中梯度内管在挤压的作用下开始径向延伸，与纤维增强型布填充层相互挤压，当极限应力达到一定值时，纤维增强型布填充层开始膨胀破裂吸收能量。与此同时，当梯度内管端面受到碰撞力时，梯度外管的管口在外扩角度的影响下开始周向撕裂吸能，碰撞力越大，撕裂越明显，吸收的能量越多。综合该发明所能呈现的吸能方式，主要包括轴向溃缩、径向挤压、膨胀吸能、撕裂吸能等，很大程度上提高了结构的吸能效率，解决了普通薄壁结构吸能形式单一的问题，如应用在汽车上，在碰撞发生时，最大限度的保护了汽车乘员的生命及其财产安全。
4.具有良好的轻量化效果。本发明提出的梯度内管、梯度外管以及填充的泡沫铝材料与纤维增强型布填充层均为质量效率较高的轻量化材料，将其通过合理的结构匹配设计方法设计出的梯度复合碰撞吸能管件具有较高的轻量化特性，材料利用率更高。
5.结构简单，制造方便。本发明中涉及的结构类型均为普通常见类型，并未涉及到复杂的端面加工以及曲面加工等难度较高的加工工艺，制造成本低，制造效率高。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.梯度复合碰撞吸能管件，其特征在于：包括梯度内管(10)、梯度外管(20)、铝泡沫填充层(30)和纤维增强型布填充层(40)，该梯度外管(20)套设在梯度内管(10)外，该铝泡沫填充层(30)填满于梯度内管(10)中，该纤维增强型布填满于梯度内管(10)与梯度外管(20)之间；还包括能形成碰撞源冲击处的封闭端板(50)，该梯度内管(10)第一端口固定在该封闭端板(50)上，该梯度外管(20)第一端口接触配合该封闭端板(50)；该梯度内管(10)的管壁厚度在轴向上呈梯度形式变化，该梯度内管(10)梯度形式变化为梯度内管(10)第二端口至第一端口厚度渐薄；该铝泡沫填充层(30)按照密度梯度形式填充在梯度内管(10)中，该密度梯度形式为朝封闭端板(50)由远至近呈由高向低变化；该梯度外管(20)一端呈外扩锥壁(21)，该外扩锥壁(21)外扩角度为θ，该外扩锥壁(21)端口为梯度外管(20)第一端口，该梯度外管(20)第一端口外径大于梯度外管(20)其余部分的外径，该梯度外管(20)的管壁厚度在轴向上呈梯度形式变化，该梯度外管(20)梯度形式变化为梯度外管(20)第二端口至外扩锥壁(21)之小径部分厚度渐薄。
2.根据权利要求1所述的梯度复合碰撞吸能管件，其特征在于：该纤维增强型布填充层(40)通过纤维增强型布采用缠绕方式包裹在梯度内管(10)外周面而形成的。
3.根据权利要求1所述的梯度复合碰撞吸能管件，其特征在于：该梯度内管(10)第一端口处的厚度为T1min，该梯度内管(10)第二端口处的厚度为T1max,该T1min小于T1max,该梯度内管(10)轴向高度为x1处的厚度大小符合公式其中，n为梯度内管(10)的梯度指数，L1为梯度内管(10)的总高度。
4.根据权利要求1所述的梯度复合碰撞吸能管件，其特征在于：该封闭端板(50)周缘和梯度外管(20)第一端口周缘齐平。
5.根据权利要求1所述的梯度复合碰撞吸能管件，其特征在于：该外扩锥壁(21)之小径部分的厚度为T2min，该梯度外管(20)第二端口处的厚度为T2max,该T2min小于T2max,该梯度外管(20)轴向高度为x2处的厚度大小符合公式其中，n为梯度外管(20)的梯度指数，L2为梯度外管(20)的总高度。
6.根据权利要求1所述的梯度复合碰撞吸能管件，其特征在于：该铝泡沫填充层(30)按照密度梯度形式填充在梯度内管(10)中，该密度梯度形式为朝封闭端板(50)由远至近呈由高向低变化，该泡沫填充层高度为x3处的密度值符合公式其中n为梯度指数，L3为泡沫填充层的总高度。
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