CN108730750A - 三十二角加强构件 - Google Patents

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CN108730750A CN201810365600.6A CN201810365600A CN108730750A CN 108730750 A CN108730750 A CN 108730750A CN 201810365600 A CN201810365600 A CN 201810365600A CN 108730750 A CN108730750 A CN 108730750A
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Abstract

公开了一种三十二角加强构件。一种用于机动车辆的加强构件包括三十二角横截面，该三十二角横截面具有限定内角和外角的相邻的边。内角和外角中的每个至少为60度并小于180度。所述边限定围绕加强构件的周边隔开的多个突出部。沿着三十二角横截面的周边，所述多个突出部中的各个突出部由至少两个接连的外角隔开。

Description

三十二角加强构件
技术领域
本公开总体上涉及车辆结构，更具体地涉及用于车身或其它结构的加强构件，更具体地涉及具有三十二角截面的加强构件。
背景技术
车辆加强构件可用于增大承载能力、冲击能量吸收和抗弯性能，同时减小加强构件每单位长度的质量。
当压缩力沿纵向施加在加强构件上时(例如，由于车辆前纵梁和发动机舱中的其它加强构件上的前方冲击载荷而产生的力)，加强构件可沿着纵向方向压溃以吸收碰撞能量。此外，当弯曲力施加在加强构件上时(例如，由于车辆的前侧门槛、B柱或其它加强构件上的侧方冲击载荷而产生的力)，加强构件可弯曲以吸收碰撞能量。
在轴向载荷状况下，加强构件的轴向塌溃可以以不稳定的屈曲模态进行，该不稳定的屈曲模态在以非渐进的方式移动到加强构件的顶部之前在加强构件的中间开始。不稳定的塌溃模式可能增大复制样本之中的碰撞行为的变化，并且可能使碰撞性能更难以预测。不稳定的塌溃还可能使吸收的冲击能量较少，并且与渐进和稳定的塌溃模式相比在材料利用方面效率可能更低。
发明内容
一种用于机动车辆的加强构件包括三十二角横截面，该三十二角横截面具有限定内角和外角的相邻的边。内角和外角中的每个至少为60度并小于180度。所述边限定围绕加强构件的周边隔开的多个突出部。沿着三十二角横截面的周边，所述多个突出部中的各个突出部由至少两个接连的外角隔开。
一种用于制造机动车辆的加强构件的方法包括制造加强构件的两个或更多个部段。所述方法还包括接合所述两个或更多个部段以形成具有三十二角横截面的加强构件。三十二角横截面包括设置在三十二条边之间的二十四个内角和八个外角。
一种用于机动车辆的加强构件包括三十二角横截面，该三十二角横截面具有三十二条边并限定有二十四个内角和八个外角。该横截面限定有围绕中心轴线隔开的四个突出部。每个突出部限定六个内角。沿着该横截面的周边，相邻的突出部由两个接连的外角隔开。
根据本发明的一个实施例，内角和外角中的每个至少为60度并小于180度。
根据本发明的一个实施例，在第一组相邻的突出部之间，与第一中间壁一起形成相应的外角的第一组平行壁的长度大于所述第一中间壁的长度。
根据本发明的一个实施例，在第二组相邻的突出部之间，与第二中间壁一起形成相应的外角的第二组平行壁的长度小于所述第二中间壁的长度。
附图说明
图1示出了用于加强构件的具有二十四个内角和八个外角的三十二角横截面。
图2A至图2G示出了如何利用根据本公开的可调节参数来调节图1的横截面。
图3示出了具有基本相同的厚度、长度和周长的不同横截面的加强构件。
图4示出了图3中示出的加强构件的示例性轴向塌溃。
图5示出了图3中示出的加强构件的示例性动态压溃。
图6是针对具有图3中示出的横截面的示例性加强构件的压溃力和相关联的轴向压溃距离的曲线图。
图7是针对具有图3中示出的横截面的示例性加强构件的轴向压溃能量和相关联的轴向压溃距离的曲线图。
图8A和图8B示出了用于加强构件的具有十六个内角和十六个外角的示例性三十二角横截面。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解，公开的实施例仅为示例，其他实施例可采取各种替代的形式。附图无需按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为限制，而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参考任一附图示出和描述的各种特征可与一个或更多个其他附图中示出的特征结合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合为典型应用提供代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可期望用于特定应用或实施方式。
本公开描述了具有三十二角横截面的加强构件，在不增大角内的厚度的情况下，该加强构件在所有的侧边和角处具有基本上增大的刚度。加强构件提供(例如)多种可调节参数，其被配置为相对于基本多边形设计(例如，具有较少或相同边数的多边形加强构件横截面)实现强度增大(即，承载和能量吸收)，同时还允许设计灵活性以满足一系列车辆应用。当力(诸如前方冲击力和侧方冲击力)施加在加强构件上时，加强构件能够实现增强的能量吸收和更稳定的轴向塌溃。由于对三十二角进行了加工硬化，加强构件还可具备改进的耐久性和噪声、振动和声振粗糙性(NVH)性能。此外，本公开的边长和构造和/或内角和外角的角度能够实现与增厚的角类似(如果不大于)的强度增大，同时使构件的每单位长度的质量最小化并保持高的制造可行性。
具有基本的多边形横截面(诸如，正方形、矩形、六角形和八角形等)的传统加强构件通常由于它们的制造可行性而被使用。由于根据本公开的具有多角横截面的加强构件在不需要更厚的角部的情况下具有大幅增大的强度和刚度，因此它们还具有比以前考虑的角增厚的构件更高的制造可行性。在仍然提供期望的强度的同时，根据本教导的加强构件能够通过(例如)弯曲、卷曲、切割、锻造、冲压、压制成形、液压成形、模制、压铸和挤压而被形成为一个或多个部段。这样形成的部段能够通过焊接、粘接、紧固或其它已知的接合技术进行接合。
加强构件可包括(例如)钢合金、铝合金、镁合金、钛合金、尼龙、塑料、聚合物、纤维增强复合物、硅树脂、半导体、纸、混合材料(例如，多种异种材料)、形状记忆材料、泡沫、凝胶或任意其它合适的材料。本领域普通技术人员将理解的是(例如)用于加强构件的材料可基于意向的应用、强度/重量考虑、成本和其它设计因素根据期望进行选择。
根据本公开的三十二角横截面预期用于若干结构构件，诸如：前纵梁、侧纵梁、横梁、车顶结构、枪型部件、腰线管、门梁、柱、内部加强件以及能够从增大的承载能力、冲击能量吸收和抗弯性能中获益的其它组件。此外，本教导能够应用于非承载式车身结构(body-on-frame)和一体化车辆(unitizedvehicle)两者，或其它类型的结构。
现参照图1，加强构件可设置有三十二角的横截面。如图所示，横截面包括长度为S1至S32且厚度为T1至T32的三十二个边、角度为θi1至θi24的二十四个内角和角度为θe1至θe8的八个外角。可以改变(即，调节)边长和厚度以及内角和外角的角度，以与现有的加强构件横截面相比实现强度和其它性能特征(例如，褶皱形式的稳定性)的增大。该强度增大可以进一步消除对增大角厚度的需求，这是微调具有三十二边(即，三十二角)横截面的加强构件的设计参数(例如，边长、边厚度、内角和外角)而获得的不可预期和意料之外的益处。
如图2A至图2E所示，例如，根据各种方案，如本领域普通技术人员所理解的，例如根据车辆内的可用封装空间，可以改变边的长度S1至S32(见图2C至图2E)和厚度T1至T32(见示出锥形边的图2B)以及内角的角度θi1至θi24。然而，本领域普通技术人员将理解的是，图2A至图2E仅为示例，并且仅被提供以示出能够如何使用设计参数来调节图2的示例性方案的横截面。例如，如本领域技术人员所理解的，还可以改变外角的角度θe1至θe8。因此，本公开预期了具有不同形状和尺寸(即，角弯曲半径、边长、厚度、内角和/或外角)的各种三十二角横截面构造，该构造可基于空间要求和/或为了控制构件塌溃模式而进行调节。
在特定方案中，例如，每条边的长度(S1至S32)的范围可以从约10mm到约250mm。在其它的示例性方案中(诸如在飞机、航天器、船只、高速轨道车辆或建筑应用中)，例如，每条边的长度(S1至S32)可以更大。在特定的其他方案中，边和角的厚度的范围可以从约0.7mm到约6.0mm；并且在特定方案中，边的厚度基本上与角的厚度相同。在其他的示例性方案中(诸如在飞机、航天器、船只、高速轨道车辆或建筑应用中)，例如，边的厚度可以更大。此外，根据特定的其他示例性方案，加强构件的厚度(例如)可以在一条边内改变或者从边到边地改变，以优化整体轴向压溃性能和弯曲性能。如本领域技术人员所理解的，例如根据车辆内的可用封装空间，可在特定程度上改变边的长度S1至S32和厚度T1至T32。
在特定方案中，内角和外角中的每个至少为60度并小于180度。例如，内角θi1至θi24的范围可以从约60度到约170度(例如，约115度)，外角θe1至θe8的范围可以从约60度到约120度(例如，约90度)。
如图2A至图2E所示，例如，外角可约为90度，内角可大于90度。如图2F所示，外角θe1至θe8可小于90度。如图2G所示，内角θi1至θi8可以从小于90度变化到大于90度。例如，内角θi2、θi3、θi6、θi7、θi10、θi11、θi14和θi15可小于90度，同时内角θi1、θi4、θi5、θi8、θi9、θi12、θi13和θi16可以大于90度。
三十二角横截面限定围绕加强构件的周边隔开的多个突出部(lobe)。更具体地，横截面的边可限定形成突出部的内角。例如，如图1所示，边S3至S9可形成内角θi1至θi6从而限定第一突出部。边S11至S17可形成内角θi7至θi12从而限定第二突出部。边S19至S25可形成内角θi13至θi18从而限定第三突出部。边S27至S32和边S1可形成内角θi19至θi24从而限定第四突出部。因此，多个突出部中的各个突出部可包括由七条边限定的六个内角。尽管此处描述了四个突出部，但边和内角的其它组合可产生更多或更少的突出部。
此外，多个突出部中的各个突出部可包括在与第一轴线平行的平面中延伸的第一边壁(例如，远端边壁S6)以及在与第二轴线(该第二轴线垂直于第一轴线)平行的平面中延伸的两个边壁(例如，中间边壁S4和S8)。
多个突出部中的各个突出部可由一个或更多个外角隔开。在一种方案中，各个突出部可以通过两个接连的外角而与相邻的突出部隔开。参照图1，接连的外角θe3(由边S9和S10限定)和θe4(由边S10和S11限定)可将第一突出部与第二突出部隔开。现参照图8A和图8B，各个突出部可以通过四个接连的外角而与相邻的突出部隔开。在另一方案中，各个突出部可以仅通过外角隔开而在各个突出部之间不设置内角。在又一方案中，横截面可在相邻的突出部之间设置有内角。
突出部可在加强构件的周边周围绕着加强构件的中心轴线隔开。在一种方案中，例如在图2A、图2B、图2D和图2E中示出的，突出部围绕中心轴线均匀地隔开。在另一方案中，例如在图2C中示出的，突出部围绕中心轴线不均匀地隔开。在该方案中，与图2A、图2B、图2D和图2E中的横截面相比，加强构件的横截面可设置有10/7的纵横比。如图2C所示，在第一组相邻的突出部之间，与中间壁一起形成各自的外角的平行壁可具有比中间壁大的长度。此外，在第二组相邻的突出部之间，与中间壁一起形成各自的外角的平行壁可具有比中间壁小的长度。
如图3所示，例如对于以35mph与刚性壁的撞击，在比较具有相同厚度和周长但形状不同的加强构件的压溃能量吸收时，根据本公开的三十二角横截面可产生较短的压溃距离和较小的褶皱长度。该三十二角横截面还可提供改进的轴向塌溃稳定性和改进的压溃能量吸收。例如，根据本公开的三十二角横截面可以相较于正方形横截面在压溃能量吸收方面实现约100-150％的增加，并且可以相较于六角形和八角形横截面在压溃能量吸收方面实现90-115％的增加。
为了论证根据本公开的三十二角横截面相比于各种现有的横截面设计具有改进的强度和性能特征，对示例性加强构件进行了建模并且进行了实验测试运行，如图3至图7所示并且在下面参照图3至图7进行描述。
如图3所示，对具有相同厚度、长度和周长(例如，每个部件的质量约为1.22kg)但形状(即，横截面)不同的加强构件进行了建模。随后针对每个构件运行测试以模拟在相同的刚性质量(例如，冲击器)、冲击速度和初始动能下的冲击。如图4所示，根据本公开的三十二角横截面展示出最稳定的轴线塌溃和最高的压溃能量吸收。此外，如图5所示，根据本公开的三十二角横截面还展示出最短的压溃距离和最小的褶皱长度。
图6示出了针对轴向施加在具有图3中示出的横截面的示例性加强构件上的模拟冲击而言的压溃力(以KN为单位)和相关联的轴向压溃距离(以mm为单位)。如图6所示，对于给定的产生的压溃距离，具有三十二角横截面的加强构件与正方形、六角形、圆形和八角形横截面相比可承受更高的压溃力。这在使每单位长度的质量最小化的同时允许改进冲击能量管理。
图7示出了具有图3中示出的横截面的示例性加强构件的轴向压溃能量(以KN-mm为单位)和相关联的轴向压溃距离(以mm为单位)。如图7所示，具有三十二角横截面的加强构件与正方形、六角形、圆形和八角形横截面相比可以在更短的距离内吸收冲击的总动能(即，22983KN-mm)。
现参照图8A和图8B，加强构件可设置有三十二角横截面。在图8A和图8B的方案中，三十二角横截面限定十六个内角和十六个外角。如图所示，十六个内角可大于90度，并且十六个外角也可大于90度。加强构件可沿着加强构件的实质长度从加强构件的第一端到加强构件的第二端而限定连续的锥形体。
在许多方案中，加强构件可设置在车辆的外部，因而暴露于湿气和诸如雨、雪、盐、泥等的其它环境。这些因素可能引起腐蚀问题，具体地，例如，在诸如凹入或凹口的累积区域中。与已知加强构件相比，根据图8A和图8B的加强部件可提供改进的脱湿。例如，将外角增大到大于90度增大了湿气在外角处接触加强构件的接触角，从而增大了加强构件在外角处的疏水性。通过这种方式，可能暴露于湿气的加强构件(例如，设置在车辆外部的加强构件)可具有改进的脱湿能力。
用于制造机动车辆的加强构件的方法可包括制造加强构件的两个或更多个部段。制造两个或更多个部段可包括冲压、压制成形、滚轧成形、液压成形、模制、铸造、机加工、锻造、3D打印和/或挤压成形两个或更多个部段中的每个。
所述方法还可包括接合两个或更多个部段以形成具有三十二角横截面的加强构件。两个或更多个部段可通过焊接、粘接和紧固中的一种或更多种进行接合。三十二角横截面包括设置在三十二条边之间的二十四个内角和八个外角。内角和外角中的每个至少为60度并小于180度。
因此，根据本公开的三十二角横截面可相对于(例如)基本的多边形加强构件横截面(包括基本的二十边多边形横截面)允许改进冲击能量管理，同时使每单位长度的质量最小化。
因此，如所示出的，根据本公开的加强构件被构造为相较于基本的多边形设计(包括具有相同边数的多边形加强构件)实现了强度増加(即，承载和能量吸收)，同时还允许设计的灵活性以更好地满足车辆空间要求。因此，这种加强构件可用于替代现有的加强构件横截面设计(包括传统和非传统的)。
本公开的各个示例性方案预期了加强构件(例如)具有弯曲半径不同的角、具有非均匀的横截面(例如，具有非对称形状)和/或具有厚度可变(即，具有锥形边)的边。多个其他的示例性方案预期弯曲的和/或曲线形的加强构件。此外，如本领域内普通技术人员将理解的，为了进一步调节构件的褶皱形式和/或峰值载荷容量，多个其他的示例性方案还预期具有触发孔、凸缘和/或卷边的加强构件。
此外，根据本公开的加强构件被预期用于若干结构构件，诸如(例如)：缓冲罐、前纵梁、中纵梁、后纵梁、侧纵梁、枪型部件、横梁、车顶结构、腰线管、门梁、柱、内部加强件和能够从增加的冲击能量吸收获益的其它部件。此外，这种加强构件能够应用于非承载式车身结构和一体化车辆两者，或其它类型的结构。因此，根据应用，加强构件可具有不同的形状(即，不同横截面)，以适应特定的构件空间约束。例如，在用作车辆前纵梁时，为了实现优化的轴向压溃性能，边的长度和厚度和/或角的角度均可被调节(调整)，以提供优化的强度、尺寸和形状来满足发动机舱约束。
尽管本文描述的各种示例性方案已被描述为被构造用于机动车辆，但是可以预期的是，根据本公开的各种加强构件可以被构造用于期望增大承载能力、冲击能量吸收和抗弯性能的其它类型的车辆和/或结构。因此，受益于本公开的本领域普通技术人员应当领会的是，本公开提供用于各种应用的加强构件。鉴于本说明书，本公开的各个方面的其它修改和替代实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
虽然上文描述了多种实施例，但这些实施例并不意在描述了权利要求书所包含的所有可能的形式。说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征组合以形成本发明的进一步的可能未被明确描述或示出的实施例。虽然各种实施例已被描述为在一个或更多个期望的特性方面提供优点或者优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据具体应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷，以实现期望的系统总体属性。这些属性包括但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、可销售性、外观、包装、尺寸、维护保养方便性、重量、可制造性、装配容易性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其他实施例或现有技术的实施方式合意的实施例并不在本公开的范围之外，并且可被期望用于特定应用。

Claims (15)

1.一种用于机动车辆的加强构件，所述加强构件包括：
三十二角横截面，具有限定内角和外角的相邻的边；
其中，内角和外角中的每个至少为60度并小于180度，其中，所述边限定围绕加强构件的周边隔开的多个突出部，其中，沿着三十二角横截面的周边，所述多个突出部中的各个突出部由至少两个接连的外角隔开。
2.根据权利要求1所述的加强构件，其中，所述多个突出部中的各个突出部包括六个内角。
3.根据权利要求1所述的加强构件，其中，所述多个突出部中的各个突出部包括在与第一轴线平行的平面中延伸的第一边壁以及在与第二轴线平行的平面中延伸的两个边壁，其中，第二轴线垂直于第一轴线。
4.根据权利要求1所述的加强构件，其中，三十二角横截面限定有二十四个内角和八个外角。
5.根据权利要求4所述的加强构件，其中，所述二十四个内角大于90度并且所述八个外角约为90度。
6.根据权利要求1所述的加强构件，其中，三十二角横截面限定有十六个内角和十六个外角。
7.根据权利要求6所述的加强构件，其中，所述十六个内角大于90度并且所述十六个外角大于90度。
8.根据权利要求1所述的加强构件，其中，每条边均具有范围从约10mm到约250mm的长度。
9.根据权利要求1所述的加强构件，其中，所述边和角的厚度的范围为从约0.7mm到约6.0mm。
10.根据权利要求1所述的加强构件，其中，三十二角横截面的角具有与三十二角横截面的边大致相同的厚度。
11.根据权利要求1所述的加强构件，其中，加强构件具有沿着加强构件的实质长度从加强构件的第一端到加强构件的第二端的连续的锥体。
12.根据权利要求1所述的加强构件，其中，第一突出部与沿着周边邻近于第一突出部的第二突出部隔开第一距离，其中，第一突出部与沿着周边邻近于第一突出部的第三突出部隔开第二距离，并且其中，第一距离大于第二距离。
13.一种用于制造机动车辆的加强构件的方法，所述加强构件包括三十二角横截面，所述三十二角横截面包括设置在三十二条边之间的二十四个内角和八个外角，所述方法包括：
制造加强构件的两个或更多个部段；
接合所述两个或更多个部段以形成包括三十二角横截面的加强构件，其中，所述三十二角横截面包括设置在三十二条边之间的二十四个内角和八个外角。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述二十四个内角大于90度并且所述八个外角约为90度。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，制造所述两个或更多个部段包括冲压、压制成形、滚轧成形、液压成形、模制、铸造、机加工、锻造、3D打印和挤压成形所述两个或更多个部段中的每个，其中，接合所述两个或更多个部段包括通过焊接、粘接和紧固中的一种或更多种将所述两个或更多个部段进行接合。
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