CN108032912B - 一种具有特殊微元胞填充层的汽车发动机罩 - Google Patents

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一种具有特殊微元胞填充层的新型汽车发动机罩，包括发动机罩外板、负泊松比元胞填充层、发动机罩内板；所述负泊松比元胞填充层是由多个微元胞排列组合而成；所述微元胞由四个吸能件组合构成，四个吸能件的顶端、底部均通过一个正方体的连接块连接，使其形成一个整体；所述吸能件包括上水平连接部、第一吸能部、第二吸能部、传力部、第三吸能部、下水平连接部；其中，上水平连接部与第一吸能部连接，第一吸能部与第二吸能部连接，第一吸能部与第二吸能部之间的夹角α为钝角；第二吸能部与传力部连接；传力部与第三吸能部连接，第三吸能部与下水平连接部连接，第三吸能部与下水平连接部之间的夹角β为钝角。该发动机罩结构简单，碰撞时吸能效果好。

Description

一种具有特殊微元胞填充层的汽车发动机罩
技术领域
本发明属于汽车用零部件领域，具体涉及一种具有特殊微元胞填充层的新型汽车发动机罩。
背景技术
随着汽车保有量的不断上升,汽车交通事故的发生频率也逐渐增长,汽车主被动安全性变得越来越重要。据事故统计，15岁以下儿童是行人事故高发群体之一，其数量只占人口总数的 18% ，却占行人事故损伤人数的1/3左右，头部是其最容易受伤害的损伤部位之一，也是造成死亡的主要原因。事故一般是儿童横穿马路与汽车相撞，由于发动机罩下面存在许多硬点(如减震塔、发动机、前挡风玻璃下边框等), 受惯性作用，行人头部与硬点相撞后产生较大的加速度,造成头部损伤。
针对汽车发动机罩，很多学者提出了不同的改进措施。在CN202641602U中，提出一种用于提升轿车发动机罩的弹起装置,目的是在轿车与行人发生碰撞时使轿车发动机罩自动弹起,增加吸能空间,对行人头部提供损伤防护；在CNIO2434051A中，提出一种基于行人保护的发动机罩铰链，当头部撞击到发动机罩铰链上方区域时,由于铰链下合页开孔或缺口处强度较低使其压溃,从而使铰链上合页发生塌陷,达到充分吸收能量的目的。在CNIO5365744A中，提出一种用于行人保护的主动式发动机罩前盖，与CN202641602U类似，加入了碰撞传感器进行监测，并进行一系列的反馈。
CN202641602U、CNIO5365744A代表了以主动安全措施为主的一系列改进方式，一定程度上达到了对行人头部的保护作用，但是结构较复杂，控制上也存在误差问题。CNIO2434051A代表了以机械结构为主的一系列改进方式，通过改变发动机罩的结构或者硬点分布情况，去减轻对行人头部的伤害，但是受发动机舱内部元件的空间局限性，同时也受行人头部碰撞位置的随机性影响，导致其不能被广泛应用。
近几年，多胞材料的发展为发动机罩的改进带来了新的解决思路，有学者提出可以在发动机罩内部添加蜂窝铝结构，不仅增加吸能空间，同时也降低了碰撞位置随机性带来的影响，但是蜂窝结构的碰撞初始峰值还是偏高，稍有设计不当仍会对行人头部有较大伤害。
基于上述问题，有必要对现有汽车发动机罩的结构进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有特殊微元胞填充层的新型汽车发动机罩，以解决现有具有吸能功能的发动机罩结构复杂，在轿车与行人发生碰撞时无法准确吸收头部撞击的能量，以及碰撞初始峰值高的技术难题。
为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种具有特殊微元胞填充层的新型汽车发动机罩，包括发动机罩外板、负泊松比元胞填充层、发动机罩内板；所述发动机罩外板设置在最外侧；所述负泊松比元胞填充层设置在发动机罩外板与发动机罩内板的中间；所述发动机罩内板设置在最内侧；所做的改进是：所述负泊松比元胞填充层是由多个微元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合而成的立体结构；所述微元胞由四个吸能件组合构成，相邻的两个吸能件相互垂直设置,四个吸能件的顶端、底部均通过一个正方体的连接块连接，使其形成一个整体；所述吸能件包括上水平连接部、第一吸能部、第二吸能部、传力部、第三吸能部、下水平连接部；其中，所述上水平连接部与第一吸能部连接，所述第一吸能部与第二吸能部连接，第一吸能部与第二吸能部之间的夹角α为钝角；所述第二吸能部与传力部连接；所述传力部与第三吸能部连接，传力部包括两个水平传力连接部、一个竖直传力连接部，两个水平传力连接部分别与第二吸能部、第三吸能部连接；竖直传力连接部用于与另外一个微元胞连接，通过传力部将施加在局部微元胞上的能量依次传递；所述第三吸能部与下水平连接部连接，第三吸能部与下水平连接部之间的夹角β为钝角。
作为本发明的优选，所述的负泊松比元胞填充层为3D打印的一体式结构，构成负泊松比元胞填充层的微元胞上的每个吸能件的第一吸能部、第二吸能部、第三吸能部壁厚相同，壁厚=λ1×L，λ1大于等于0.05小于等于0.1，L为上水平连接部与下水平连接部之间的高度；吸能件的上水平连接部的长度=λ2×L，λ2大于等于0.1小于等于0.15；吸能件的第一吸能部与第二吸能部之间的夹角α为135-170°；吸能件的第三吸能部与下水平连接部之间的夹角β为140-160°；传力部的竖直传力连接部的高度=λ3×L，λ3大于等于0.1小于等于0.2，水平传力连接部的长度为上水平连接部长度的一半，竖直传力连接部与下水平连接部之间的宽度=λ4×L，λ4大于等于0.8小于等于1；通过对该微元胞结构的特殊设计，使微元胞受力变形更加稳定、传力效果更好，同时通过对α和β夹角的有效控制，使该微元胞具有负泊松比效应。
作为本发明的进一步优选，所述负泊松比元胞填充层中微元胞在Y向的层数控制在4-15层，最好为5-10层，这样既能够保证发动机罩的轻量化，又能保证其安全性能。
作为本发明的更进一步优选，所述负泊松比元胞填充层的材料为铝或其他金属材料。
与现有技术相比本发明的优点和有益效果是：
（1）本发明提供的发动机罩与现有具有吸能功能的发动机罩相比结构简单，其通过填充层上的微元胞的孔隙增加变形空间，利用微元胞结构的负泊松比效应，吸收更多的能量，降低碰撞时汽车对行人头部的伤害，其适应性强，可适应很多车型，且不需要添加一些复杂的传感器控制。
（2）本发明提供的发动机罩与现有蜂窝铝结构的发动机罩相比，该结构碰撞初始峰值较低，与平台应力区相近，有利于降低对行人头部的伤害，降低设计难度，同时应力平台区长而稳，使吸能过程较稳定。
（3）本发明在发动机罩内部填充微元胞填充层，将其合理的分布于整个中间界面，当轿车与行人发生碰撞时，受碰撞位置随机性影响较弱，其可对各个方向带来的冲击都能得到良好的吸能缓冲作用。
（4）本发明在发动机罩内部填充具有微元胞结构的填充层，因其内部存在大量孔隙，将会对发动机舱内的噪音产生一定频率内的“声音禁带”，根据“带隙”原理起到降噪的作用，增加行驶舒适性。
附图说明
图1为发动机罩的结构示意图。
图2为微元胞的结构示意图。
图3为二个微元胞的排列示意图。
图4为四个微元胞的排列示意图。
图5为多个微元胞的排列示意图。
图6为对称连接的两个吸能件的结构示意图。
图7为填充层在碰撞冲击过程中的二维面内变形过程图。
附图标记：发动机罩外板1、负泊松比元胞填充层2、发动机罩内板3、吸能件4、上水平连接部5、第一吸能部6、第二吸能部7、传力部8、第三吸能部9、下水平连接部10、连接块11、水平传力连接部81、竖直传力连接部82。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图对本申请进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。
参照图1，本发明提出的一种具有特殊微元胞填充层的新型汽车发动机罩包括：发动机罩外板1、负泊松比元胞填充层2、发动机罩内板3；所述发动机罩外板1设置在最外侧；所述负泊松比元胞填充层2设置在发动机罩外板1与发动机罩内板3的中间，所述发动机罩内板3设置在最内侧，发动机罩外板1、负泊松比元胞填充层2、发动机罩内板3之间通过粘接连接，形成三明治结构。
参照图2至图6，所述负泊松比元胞填充层2是由多个微元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合而成的立体结构；所述微元胞由四个吸能件4组合构成，相邻的两个吸能件4相互垂直设置，四个吸能件4的顶端、底部均通过一个正方体的连接块11连接，使其形成一个整体；所述吸能件4包括上水平连接部5、第一吸能部6、第二吸能部7、传力部8、第三吸能部9、下水平连接部10；其中，所述上水平连接部5与第一吸能部6连接，所述第一吸能部6与第二吸能部7连接，第一吸能部6与第二吸能部7之间的夹角α为135-170°；所述第二吸能部7与传力部8连接；所述传力部8与第三吸能部9连接，传力部8包括两个水平传力连接部81、一个竖直传力连接部82，两个水平传力连接部81分别与第二吸能部7、第三吸能部9连接；竖直传力连接部82用于与另外一个微元胞连接，通过传力部8将施加在局部微元胞上的能量依次传递；所述第三吸能部9与下水平连接部10连接，第三吸能部9与下水平连接部10之间的夹角β为140-160°。
所述的负泊松比元胞填充层2为3D打印的一体式结构，构成负泊松比元胞填充层2的微元胞上的各个吸能件4的第一吸能部6、第二吸能部7、第三吸能部9壁厚b相同，壁厚=λ1×L，λ1大于等于0.05小于等于0.1，L为上水平连接部5与下水平连接部10之间的高度；每个吸能件4的上水平连接部5的长度=λ2×L，λ2大于等于0.1小于等于0.15，上水平连接部5不仅使各个吸能件在同一水平面上进行连接，同时上水平连接部5也起到水平面上传力的作用；所述传力部8的竖直传力连接部82的高度=λ3×L，λ3大于等于0.1小于等于0.2，水平传力连接部81的长度为上水平连接部5长度的一半，竖直传力连接部82与下水平连接部10之间的宽度C=λ4×L，λ4大于等于0.8小于等于1。
本发明的微元胞设计成上述结构能够使微元胞受力变形稳定，传力效果好；当上述参数超出设定范围时，会导致微元胞受力变形不稳定，传力效果不好。
本发明所述的新型汽车发动机罩，中间填充层厚度越厚，容纳的层数越多（图1中显示为6层），但是层数越多，发动机罩越重，这是轻量化与安全性的博弈，因为采用多胞材料的填充，在原来其他条件保持不变的情况下，一定会变轻，因此我们可以在保证原发动机罩的重量的前提下，在内部空间允许的情况下，适当增加发动机罩厚度，尽可能地多加层数，提高吸能量。根据现有发动机罩的内部空间情况来看，一般控制负泊松比元胞填充层2中微元胞在Y向的层数为4-15层，最好为5-10层。
本发明所述的新型汽车发动机罩，负泊松比元胞填充层2的材料为铝或其他金属材料，大变形时延展性优异。
参阅图7，根据负泊松比元胞填充层2在碰撞冲击过程中的二维面内变形过程，可以看到微元胞的胞壁（第一吸能部、第二吸能部、第三吸能部）逐渐填充了孔隙部分，孔隙部分就是所谓的吸能空间，为微元胞结构的变形提供空间条件，从而吸收更多的能量；此外，可以观察到该结构具备负泊松比现象，在碰撞冲击过程中，四周的材料在往中间聚集一同抵抗冲击，后期呈现越压越硬，这也就保证了发动机罩的刚度条件，不至于被撞坏，综合这两个优点，通过合理的设计，将在保证发动机罩刚度与强度的条件下，尽可能吸收更多的碰撞能量，一方面保护了行人的头部，另一方面也降低了发动机罩的破坏程度。采用本发明的微元胞结构在冲击碰撞过程中，由于吸能部内凹，所以相对更容易发生变形，使初始峰值大大降低，同时由于内凹带来的负泊松比效应，使得在冲击过程中，伴随着一段长而稳的应力平台区，吸能过程更加平稳，吸能量也大大增多。
工作原理：
当儿童与汽车相撞时，头部受惯性作用与汽车发动机罩碰撞冲击，发动机罩内部的负泊松比填充层2将受到压缩，微元胞胞壁逐渐填充周围的孔隙部分，利用变形对碰撞能量进行吸收损耗；同时，由于结构的负泊松比效应，位于四周的材料将向中间聚集，形成“压缩-收缩”现象，该过程会形成一段稳而长的平台区域，处于该区域应力值基本保持不变，形成一个平台，平台区越长，所包围的面积越大，吸收能量越多，有效降低HIC值(头部伤害指标,HIC值越小,头部受伤害越小)，保护行人头部安全；平台区波动越小，能量吸收过程越稳定。此外，通过设计微元胞几何尺寸（胞壁厚度、宽度、内凹角度等），使应力应变曲线中的平台区接近限定值，即在保证行人头部安全的前提下，吸收尽可能多的能量；过了平台区之后将进入密实区，材料越压越实，越压越硬，保证发动机罩刚度，降低对发动机罩的破坏程度，此时碰撞能量也基本被吸收消耗。
性能检测：
产品1：汽车发动机罩发动机罩外板1、发动机罩内板3均为1.4mm的碳纤维板，负泊松比元胞填充层2中微元胞在Y向的层数为5层，其基体材料为铝，填充层厚度为20mm。
产品2：汽车发动机罩发动机罩外板、发动机罩内板3均为1.4mm的碳纤维板，外板与内板中间的填充层为蜂窝铝结构，填充层厚度为20mm。
检测方法：按照GB/T24550-2009《汽车对行人的碰撞保护》中的标准要求，进行建模仿真，检测HIC值。
检测结果：将产品1与产品2在正中间碰撞,产品1的HIC值比产品2的HIC值降低23%。

Claims (5)

1.一种具有特殊微元胞填充层的汽车发动机罩，包括发动机罩外板、负泊松比元胞填充层、发动机罩内板；所述发动机罩外板设置在最外侧；所述负泊松比元胞填充层设置在发动机罩外板与发动机罩内板的中间；所述发动机罩内板设置在最内侧；其特征在于：所述负泊松比元胞填充层是由多个微元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合而成的立体结构；所述微元胞由四个吸能件组合构成，相邻的两个吸能件相互垂直设置,四个吸能件的顶端、底部均通过一个正方体的连接块连接，使其形成一个整体；所述吸能件包括上水平连接部、第一吸能部、第二吸能部、传力部、第三吸能部、下水平连接部；其中，所述上水平连接部与第一吸能部连接，所述第一吸能部与第二吸能部连接，第一吸能部与第二吸能部之间的夹角α为135-170°；所述第二吸能部与传力部连接；所述传力部与第三吸能部连接，传力部包括两个水平传力连接部、一个竖直传力连接部，两个水平传力连接部分别与第二吸能部、第三吸能部连接；竖直传力连接部用于与另外一个微元胞连接，通过传力部将施加在局部微元胞上的能量依次传递；所述第三吸能部与下水平连接部连接，第三吸能部与下水平连接部之间的夹角β为140-160°。
2.根据权利要求1所述的一种具有特殊微元胞填充层的汽车发动机罩，其特征在于：所述的负泊松比元胞填充层为3D打印的一体式结构。
3.根据权利要求1所述的一种具有特殊微元胞填充层的汽车发动机罩，其特征在于：所述微元胞上的每个吸能件的第一吸能部、第二吸能部、第三吸能部壁厚相同，壁厚=λ1×L，λ1大于等于0.05小于等于0.1，L为上水平连接部与下水平连接部之间的高度；吸能件的上水平连接部的长度=λ2×L，λ2大于等于0.1小于等于0.15；传力部的竖直传力连接部的高度=λ3×L，λ3大于等于0.1小于等于0.2，水平传力连接部的长度为上水平连接部长度的一半，竖直传力连接部与下水平连接部之间的宽度=λ4×L，λ4大于等于0.8小于等于1。
4.根据权利要求1所述的一种具有特殊微元胞填充层的汽车发动机罩，其特征在于：所述负泊松比元胞填充层中微元胞在Y向的层数控制在4-15层。
5.根据权利要求1所述的一种具有特殊微元胞填充层的汽车发动机罩，其特征在于：所述负泊松比元胞填充层中微元胞在Y向的层数控制在5-10，负泊松比元胞填充层的材料为铝。
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