CN107839635B - 一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能方法，是使用分层拉胀蜂窝的第一吸能结构和第二吸能结构替代常规单层蜂窝的吸能结构，分两级吸收完全部的碰撞能量，利用该方法能够降低碰撞时的最大初始峰值载荷，进一步提高能量吸收能力。本发明还公开了一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能装置，包括主体架、连接块、触发杆以及分别具有分层拉胀蜂窝的第一吸能结构和第二吸能结构，所述连接块滑动套设于所述主体架上，所述第一吸能结构和第二吸能结构位于所述的主体架内，所述的触发杆位于所述连接块两侧并连动所述第一吸能结构和第二吸能结构，该装置相对传统的单层蜂窝吸能结构具有更好的抗冲击性能、吸收更多碰撞能量的特点。

Description

一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能方法及装置
技术领域
本发明涉及能量吸收技术领域，更具体地说，它涉及一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能方法及装置。
背景技术
安全性研究已成为汽车技术研究中最为重要的环节，其中，汽车被动安全性当中的碰撞安全已成为目前国内外研究的热点，对以耗散碰撞动能的能量吸收结构和材料的相关研究越来越受到重视。泊松比指的横向应变对轴向应变的比值。通常情况下，材料都变现为正泊松比，而拉胀材料(也称负泊松比材料)，与普通正泊松比材料在拉伸时垂直于拉伸方向变窄，压缩时垂直于拉伸方向变宽的原理恰恰相反，指的是当材料拉伸时，垂直于拉伸方向变宽，而压缩时垂直于拉伸方向变窄(如图1所示)。
蜂窝网格结构材料具有质轻、抗冲击等优点,广泛应用在包装、承重、抗冲击等领域。对于常见的蜂窝多孔材料,其应力应变曲线呈现出三阶段特征,分别为弹性变形区,塑性平台区以及致密区。其能量吸收可以表述为致密区之前的弹性变形区和塑性平台区曲线与应变坐标的包围面积(见图2)。
常规的抗冲击吸能方法是采用蜂窝网格结构的正松泊比材料形成单级单层抗冲击结构，通过单层蜂窝的变形吸收能量，在吸收相同能量的情况下，常规的单层蜂窝抗冲击结构，其初始峰值载荷大，而初始峰值直接影响到乘员的伤害，因此，有必要采取方法和措施降低其初始峰值载荷。
发明内容
本发明的前一目的在于提供一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能方法，利用该方法能够降低碰撞时的最大初始峰值载荷，进一步提高能量吸收能力。
本发明的后一目的在于提供一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能装置，该装置相对现有结构具有更好抗冲击性能、吸收更多碰撞能量的特点。
本发明前一技术方案如下：是使用分层拉胀蜂窝的第一吸能结构和第二吸能结构替代常规单层蜂窝的吸能结构，分两级吸收完全部的碰撞能量。
进一步地，所述的第一吸能结构以吸能力逐层递增的梯度吸能方式吸收能量，所述的第二吸能结构以吸能力逐层递减的梯度吸能方式吸收能量。
进一步地，该方法包括如下步骤：
(1)当受到撞击时，连接块通过触发杆拉动第一吸能结构压缩，吸收部分碰撞能量；
(2)当触发杆触碰到第二吸能结构时，触发杆与第一吸能结构分离，耗散吸收的部分碰撞能量；
(3)连接块通过触发杆继续拉动第二吸能结构压缩，使剩余的碰撞能量完全吸收。
本发明的后一技术方案如下：
一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能装置，包括主体架、连接块、触发杆以及分别具有分层拉胀蜂窝的第一吸能结构和第二吸能结构，所述连接块滑动套设于所述主体架上，所述第一吸能结构和第二吸能结构位于所述的主体架内，所述的触发杆位于所述连接块两侧并连动所述第一吸能结构和第二吸能结构。
进一步地，所述第一吸能结构和第二吸能结构的分层拉胀蜂窝均由多个截面呈内凹六边形的元胞组合构成。
进一步地，所述第一吸能结构的分层拉胀蜂窝由三层内凹角度逐层梯度递增的元胞衔接构成，所述第二吸能结构的分层拉胀蜂窝由三层内凹角度逐层梯度递减的元胞衔接构成。
进一步地，所述第一吸能结构中元胞的内凹角度递增梯度值与所述第二吸能结构中元胞的内凹角度递减梯度值相一致，并且，所述第一吸能结构和第二吸能结构相对一侧的元胞的内凹角度相同。
进一步地，所述第二吸能结构中每个元胞的厚度均大于所述第一吸能结构中每个元胞的厚度。
有益效果
本发明与现有技术相比，本发明具有的优点为：
1、本发明提供的吸能方法，采用分层拉胀蜂窝的第一吸能结构和第二吸能结构代替现有技术中常规单层蜂窝的吸能结构，可以增强材料的抗压与回弹性能，可以进一步提高其能量吸收的能力，而分层蜂窝结构，能够进一步降低碰撞时的最大初始峰值载荷；
2、本发明提供的吸能装置，将单级单层吸能结构改为双级多层吸能结构，能够吸收更多的能量，其两级吸能结构的元胞厚度设计和布置形式不同，实现梯度吸能，该发明的装置通过改变蜂窝的内部结构布置方式，实现了提高其平台阶段后半部分的应力应变曲线,从而提高整体结构的抗冲击性能。
附图说明
图1为正负松泊比材料的拉胀结构原理对比示意图；
图2为蜂窝多孔材料的应力应变曲线示意图；
图3为本发明中吸能装置的俯视结构示意图；
图4为本发明中吸能装置的主视结构示意图；
图5为本发明中第一吸能结构的结构放大示意图；
图6为本发明中第二吸能结构的结构放大示意图；
图7为本发明中元胞的结构放大示意图。
其中：1-第一吸能结构、2-第二吸能结构、3-连接块、4-触发杆、5-主体架、6-元胞、7-滑块、8-滑动轴、9-安全带、10-固定轴。
具体实施方式
下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明，但不构成对本发明的任何限制。
本发明的一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能方法，是使用分层拉胀蜂窝的第一吸能结构和第二吸能结构替代常规单层蜂窝的吸能结构，分两级吸收完全部的碰撞能量。其中，第一吸能结构先以吸能力逐层递增的梯度吸能方式吸收能量，第二吸能结构再以吸能力逐层递减的梯度吸能方式吸收能量。该方法包括如下步骤：
(1)当受到撞击时，连接块通过触发杆拉动第一吸能结构压缩，吸收部分碰撞能量；
(2)当触发杆触碰到第二吸能结构时，触发杆与第一吸能结构分离，耗散吸收的部分碰撞能量；
(3)连接块通过触发杆继续拉动第二吸能结构压缩，使剩余的碰撞能量完全吸收,分两级吸收所有的碰撞能量，满足低速碰撞需要较低初始峰值载荷的要求，同时满足高速碰撞时，碰撞能量完全吸收的需求。
参阅图3-7所示，本发明的一种分层拉胀蜂窝的抗冲击吸能装置，包括主体架5、连接块3、触发杆4以及分别具有分层拉胀蜂窝的第一吸能结构1和第二吸能结构2，其中，连接块3滑动套设于主体架5上，连接块3与安全带9相连，主体架5通过固定轴10与汽车座椅相连，第一吸能结构1和第二吸能结构2位于主体架5内，并分别通过滑块7和滑动轴8与主体架5相连，触发杆4位于连接块3两侧并连动第一吸能结构1和第二吸能结构2，具体的，触发杆4钩住第一吸能结构1的滑动轴8，并且，触发杆4可旋转的设于连接块3上，随连接块3滑动。当受到撞击时，连接块3受安全带9的拉力而滑动，带动滑动轴8位移使滑块7挤压第一吸能结构1，第一吸能结构1压缩吸收部分能量；当触发杆4触碰到第二吸能结构2时，触发杆4受到第二吸能结构2的滑动轴8的阻挡而旋转，使其与第一吸能结构1的滑动轴8分离，第一吸能结构1恢复原始状态，将吸收的部分碰撞能量耗散；当安全带9继续拉动连接块3时，连接块3通过触发杆4继续拉动第二吸能结构2的滑动轴8位移，使第二吸能结构2的滑块7挤压第二吸能结构2，第二吸能结构2压缩将剩余的碰撞能量完全吸收。本发明采用分层拉胀蜂窝的第一吸能结构1和第二吸能结构2代替现有技术中常规单层蜂窝的吸能结构，可以增强材料的抗压与回弹性能，可以进一步提高其能量吸收的能力，而分层蜂窝结构，能够进一步降低碰撞时的最大初始峰值载荷，解决低速碰撞时能量吸收效果不明显的问题。同时，本发明将常规的单级单层吸能结构改为双级多层吸能结构，能够吸收更多的能量，满足低速和高速碰撞吸能的不同需求。
本实施例中，第一吸能结构1和第二吸能结构2的分层拉胀蜂窝均由多个截面呈内凹六边形的元胞6组合构成，每个元胞6并列整齐布置，并且，相邻两个元胞6的中部对角通过连接件相连，形成两个元胞6之间的拉伸或压缩连接，其中，第一吸能结构1的分层拉胀蜂窝由三层内凹角度逐层梯度递增的元胞6衔接构成，每层由内凹角度相同的多个元胞6组成；第二吸能结构2的分层拉胀蜂窝由三层内凹角度逐层梯度递减的元胞6衔接构成，每层由内凹角度相同的多个元胞6组成，与蜂窝材料的应力应变曲线中弹性变形阶段、塑性平台阶段以及密实化阶段相对应，第一吸能结构1中元胞6的内凹角度递增梯度值与第二吸能结构2中元胞6的内凹角度递减梯度值相一致，并且，第一吸能结构1和第二吸能结构2相对一侧的元胞6的内凹角度相同，优选的，第一吸能结构1中各层元胞6的内凹角度q分布依次为：q＝5°、q＝30°、q＝50°，每层的横向累积布置有四个相同角度的元胞6，第构2中各层元胞6的内凹角度分布依次为：q＝50°、q＝30°、q＝5°，每层的横向累积布置有四个相同角度的元二吸能结胞6，即第一层吸能结构1中元胞6的内凹角度q＝5°布置在冲撞端，以降低初始峰值载荷，第二吸能结构2中元胞6的内凹角度q＝50°布置在冲击端，以衔接第一吸能结构1的峰值载荷，避免受力发生顿挫而损坏第二吸能结构2。
第二吸能结构2中每个元胞6的厚度均大于第一吸能结构1中每个元胞6的厚度，即第一吸能结构1相对第二吸能结构2的元胞6的厚度更薄，以便在初始碰撞时，具有较低的碰撞反作用，而第二吸能结构2的元胞6的厚度相对增加，以便吸收更多的能量，实现梯度吸能效果，实际应用中，第二吸能结构2的元胞6的厚度t与第一吸能结构1的元胞6的厚度t比值保持在1.5。本发明的第一吸能结构1和第二吸能结构2的元胞6采用不同的厚度设计和不同的布置形式，改变了蜂窝的内部结构布置方式，实现了提高其平台阶段后半部分的应力应变曲线,从而提高整体结构的抗冲击性能。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。

Claims (6)

1.一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能方法，其特征在于，是使用分层拉胀蜂窝的第一吸能结构和第二吸能结构替代常规单层蜂窝的吸能结构，分两级吸收完全部的碰撞能量，所述的第一吸能结构以吸能力逐层递增的梯度吸能方式吸收能量，所述的第二吸能结构以吸能力逐层递减的梯度吸能方式吸收能量；该方法包括如下步骤：
(1)当受到撞击时，连接块通过触发杆拉动第一吸能结构压缩，吸收部分碰撞能量；
(2)当触发杆触碰到第二吸能结构时，触发杆与第一吸能结构分离，耗散吸收的部分碰撞能量；
(3)连接块通过触发杆继续拉动第二吸能结构压缩，使剩余的碰撞能量完全吸收。
2.实现权利要求1所述吸能方法的一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能装置，其特征在于，包括主体架(5)、连接块(3)、触发杆(4)以及分别具有分层拉胀蜂窝的第一吸能结构(1)和第二吸能结构(2)，所述连接块(3)滑动套设于所述主体架(5)上，所述第一吸能结构(1)和第二吸能结构(2)位于所述的主体架(5)内，所述的触发杆(4)位于所述连接块(3)两侧并连动所述第一吸能结构(1)和第二吸能结构(2)。
3.根据权利要求2所述的一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能装置，其特征在于，所述第一吸能结构(1)和第二吸能结构(2)的分层拉胀蜂窝均由多个截面呈内凹六边形的元胞(6)组合构成。
4.根据权利要求3所述的一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能装置，其特征在于，所述第一吸能结构(1)的分层拉胀蜂窝由三层内凹角度逐层梯度递增的元胞(6)衔接构成，所述第二吸能结构(2)的分层拉胀蜂窝由三层内凹角度逐层梯度递减的元胞(6)衔接构成。
5.根据权利要求4所述的一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能装置，其特征在于，所述第一吸能结构(1)中元胞(6)的内凹角度递增梯度值与所述第二吸能结构(2)中元胞(6)的内凹角度递减梯度值相一致，并且，所述第一吸能结构(1)和第二吸能结构(2)相对一侧的元胞(6)的内凹角度相同。
6.根据权利要求2所述的一种分层拉胀蜂窝的抗冲击梯度吸能装置，其特征在于，所述第二吸能结构(2)中每个元胞(6)的厚度均大于所述第一吸能结构(1)中每个元胞(6)的厚度。
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