CN109466486A - 一种三明治层级吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三明治层级吸能装置，包括三明治层级管、花瓣状外壁、弹性装置、变密度泡沫填充物；所述三明治层级管自左向右依次包括左碳纤维板、左纳米纤维填充板、层级内芯、右纳米纤维填充板、右碳纤维板；所述弹性装置及变密度泡沫填充物间隔设置于所述层级内芯内；所述三明治层级管、左碳纤维板、左纳米纤维填充板、右纳米纤维填充板、右碳纤维板沿中心轴方向的投影均为圆形；应用本技术方案可实现在提高吸能装置耐撞性的同时达到轻量化，耐久度，可持续性强的优势。

Description

一种三明治层级吸能装置

技术领域

本发明涉及吸能装置领域，具体是指一种三明治层级吸能装置。

背景技术

随着汽车产业的蓬勃发展以及人们生活水平的逐步提高，人们的汽车保有量同时也在迅速增加，但在这些高速增长的背后，各种形式的交通事故也随之迅猛增长，汽车安全性已经悄然成为了人们不可忽视的重要性能。吸能装置是车辆上最重要的吸能元件，它通过自身的各种(如压溃，折叠，撕裂等)变形吸收碰撞带来的冲击动能，可以有效降低乘员可能遭受的来自外部的力量，最大限度减缓交通事故的危害，对驾驶人员的生命与财产安全具有有效的保护作用。然而传统吸能装置吸能形式单一，吸能效果差，不具有高效的吸能特性，不能对事故车辆进行良好的缓冲吸能。当事故发生时，尤其车辆在高速的状态下，现有吸能装置的吸能能力很难有效地缓冲或吸收碰撞带来的冲击能量，造成纵梁和乘员舱承受大量冲击能量以及冲击加速度，对乘员安全造成威胁。因此汽车的吸能装置需要进一步的优化和创新。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三明治层级吸能装置，实现在提高吸能装置耐撞性的同时达到轻量化，耐久度，可持续性强的优势。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三明治层级吸能装置，包括三明治层级管、花瓣状外壁、弹性装置、变密度泡沫填充物；

所述三明治层级管自左向右依次包括左碳纤维板、左纳米纤维填充板、层级内芯、右纳米纤维填充板、右碳纤维板；所述弹性装置及变密度泡沫填充物间隔设置于所述层级内芯内；所述三明治层级管、左碳纤维板、左纳米纤维填充板、右纳米纤维填充板、右碳纤维板沿中心轴方向的投影均为圆形；

所述花瓣状外壁设置于所述三明治层级管外部；所述花瓣状外壁沿周向中心对称设置有多个半圆柱形凸部，所述半圆柱形凸部的长度方向平行于所述三明治层级管的长度方向。

在一较佳的实施例中，所述花瓣状外壁沿中心轴方向的投影具体为多个半圆弧头尾相连且沿中心对称设置；各个圆弧之间的夹角为10度。

在一较佳的实施例中，所述左碳纤维板与右碳纤维板的直径与所述花瓣状外壁的内壁直径相同；所述左纳米纤维填充板及右纳米纤维填充板均贴合于所述花瓣状外壁的内壁；所述花瓣状外壁与所述左碳纤维板与右碳纤维板密闭设置。

在一较佳的实施例中，所述层级内芯具体为6个弹性装置及6个变密度泡沫填充物相互间隔且沿中心对称设置。

在一较佳的实施例中，所述弹性装置具体为空心弹簧；所述空心弹簧具体设置于一铝制容置腔内；所述铝制容置腔沿中心轴方向的投影为一正六边形；所述变密度泡沫填充物具体为长方体结构；所述长方体沿中心轴方向的投影为正方形；所述正方形不相邻的两对边分别与一正六边形的一边长重合；所述正六边形的第一边长与第二边长分别与一正方向的边长重合；所述第一边长与第二边长具体为所述正六边形中中间间隔有一边长的两条边长。

在一较佳的实施例中，所述变密度泡沫填充物沿中心轴方向自左向右的密度越来越大。

在一较佳的实施例中，左纳米纤维填充板及右纳米纤维填充板均由轻质碳纤维丝与具有热固性的环氧树脂复合材料制成；所述轻质碳纤维丝在环氧树脂中是随机排布，并且轻质碳纤维丝之间相互交叉。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1.提供良好的耐撞性和吸能性。

碳纤维和纳米纤维填充板中大量错综复杂的纤维结构在压缩过程中的交互作用都能很好地提高整体结构的抗压性和吸能性。层级内芯相比于传统单壁六边形管在多工况稳定性以及轴向压缩的吸能能力方面有着显著的优势。碳纤维和铝材都具有良好的耐撞性和吸能性，碳纤维的抗拉伸性能相对突出，而与之对应的铝材材料具有良好的抗压性能，与本身具有高效吸能特性的纳米纤维填充物组合成的三明治层级管可以起到优势互补，相辅相成的作用。同时，层级结构在面外的冲击工况下能够将冲击带来的能量，通过压溃，崩塌，撕裂等变形模式不同程度地进行耗散，有效保护乘员的安全。铝制层级内芯的方形管中填充有密度成梯度变化的铝泡沫，分为三个梯度，密度由上而下逐渐提高，低密度设计的目的在于减小碰撞产生的冲击峰值力，最大限度减缓交通事故对驾驶人员及乘员的生命与财产安全，逐渐提高密度为了增加结构的整体吸能量，吸收碰撞带来的冲击能量。空心弹簧的优势在于第一阶段的蓄力过程能够有助于降低事故发生时产生的巨大碰撞初始峰值力，起到缓冲的作用；第二阶段达到蓄力极限后，外界冲击力将空心弹簧压溃，进入吸能阶段，既降低了碰撞初始峰值力，又起到一定的吸能作用，最大化了空心弹簧在吸能装置中缓冲吸能的作用。花瓣状环形外壁使得三明治层级管在外壁内发生交互变形，提高内部三明治层级管的材料利用率。

2.碰撞角度适应性强且具有轻量化的特点。

相比较单一薄壁管本发明的吸能装置的层级设计能在碰撞发生时，使溃缩形变更加稳定，多角度高速冲击条件下不易失稳，确保了吸能整体结构的力学抵抗有效性。碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右。采用这种材料在保证吸能装置的吸能量的同时实现轻量化。并且，纳米纤维填充物和铝泡沫都有很高的比吸能量，即同等质量下所吸收的能量高。特别说明的是本吸能装置采用的纳米纤维材料填充物是由轻质碳纤维丝与具有热固性的环氧树脂复合材料制成。复合成型后，纤维丝在环氧树脂中是随机排布的，使得各个角度就具有很强的吸能能力，并且纤维丝之间相互交叉，互相交织在压缩过程中能够吸收更多的能量。此外，空心弹簧也减轻了弹簧的质量，实现了轻量化。

3.装配简单方便，可持续使用性高。

本发明提供的一种高效吸能的三明治层级吸能装置，各部件装配方便快捷，整体上避免了复杂的装配方式和机械构造。碳纤维具有强度高，在非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，热膨胀系数小，耐腐蚀性好等特点，可提高吸能装置的耐久度。并且，铝材，铝泡沫，纳米纤维填充物这些材料的抗腐蚀性能、抗氧化性好，耐久度高，能有效提高吸能装置的可持续使用性。

附图说明

图1为本发明优选实施例中一种三明治层级吸能装置的整体结构示意图；

图2为本发明优选实施例中一种三明治层级吸能装置的空心弹簧结构示意图；

图3为本发明优选实施例中一种三明治层级吸能装置的花瓣状外壁结构示意图；

图4为本发明优选实施例中一种三明治层级吸能装置的层级内芯在中心轴方向上的投影示意图；

图5为本发明优选实施例中一种三明治层级吸能装置的变密度泡沫填充物的泡沫密度设置示意图。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种三明治层级吸能装置，参考图1，包括三明治层级管、花瓣状外壁401、弹性装置501、变密度泡沫填充物601；所述三明治层级管自左向右依次包括左碳纤维板101、左纳米纤维填充板201、层级内芯301、右纳米纤维填充板202、右碳纤维板102；所述弹性装置501及变密度泡沫填充物601间隔设置于所述层级内芯301内；所述变密度泡沫填充物601具体为变密度铝泡沫填充物；所述三明治层级管、左碳纤维板101、左纳米纤维填充板201、右纳米纤维填充板202、右碳纤维板102沿中心轴方向的投影均为圆形。碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右。采用这种材料在保证手机的强度刚度的同时实现了轻量化。

具体来说，左纳米纤维填充板201及右纳米纤维填充板202均由轻质碳纤维丝与具有热固性的环氧树脂复合材料制成；复合成型后，所述轻质碳纤维丝在环氧树脂中是随机排布，使得各个角度就具有很强的吸能能力，并且轻质碳纤维丝之间相互交叉。互相交织在压缩过程中能够吸收更多的能量。碳纤维丝与环氧树脂结合后能够相辅相成，达到1+1>2的耐压吸能效果。总体而言相比铝质材料具有质量轻，吸能性更强，容易成型的特点，有效地提高了吸能装置的整体吸能能力，同时实现轻量化的目的。

具体来说，参考图2，所述花瓣状外壁401设置于所述三明治层级管外部；所述花瓣状外壁401沿周向中心对称设置有多个半圆柱形凸部4011，所述半圆柱形凸部4011的长度方向平行于所述三明治层级管的长度方向，在本实施例中，所述半圆柱形凸部4011设置有36个，所述半圆柱形凸部4011的半径为75mm。所述花瓣状外壁401沿中心轴方向的投影具体为多个半圆弧头尾相连且沿中心对称设置；各个圆弧之间的夹角为10度。所述左碳纤维板101与右碳纤维板102的直径与所述花瓣状外壁401的内壁直径相同，均为145.31mm；所述左纳米纤维填充板201及右纳米纤维填充板202均贴合于所述花瓣状外壁401的内壁；所述花瓣状外壁401与所述左碳纤维板101与右碳纤维板102密闭设置，这样使得三明治层级管在外壁内发生交互变形，提高内部三明治层级管的材料利用率。由于角单元是薄壁管在压缩过程中的主要吸能结构，因此，花瓣状环形外壁具有多个规则的角单元，在轴向压缩过程中能够提高管壁的稳定性和吸能效率。

具体来说，参考图3，所述层级内芯301具体为6个弹性装置501及6个变密度泡沫填充物601相互间隔且沿中心对称设置。所述弹性装置501具体为空心弹簧，具体由一根空心圆管通过卷簧机卷制形成；所述空心弹簧具体设置于一铝制容置腔701内；所述铝制容置腔701沿中心轴方向的投影为一正六边形；所述变密度泡沫填充物601具体为长方体结构；所述长方体沿中心轴方向的投影为正方形；所述正方形不相邻的两对边分别与一正六边形的一边长重合；所述正六边形的第一边长与第二边长分别与一正方向的边长重合；所述第一边长与第二边长具体为所述正六边形中中间间隔有一边长的两条边长。所述层级内芯301具体为铝制层级内芯301；具体来说，所述铝制层级内芯301具体由依据层级理论设计而得：用设置有铝制容置腔701的正六边形管替换基础六边形的顶点，用方形的变密度泡沫填充物601替换基础六边形的边，所得层级内芯相比于传统单壁六边形管在多工况稳定性以及轴向压缩的吸能能力方面有着显著的优势，所述铝制层级内芯301高度为110mm，外接圆直径为145.31mm，六边形边长为20mm，方形边长为20mm，壁厚1mm；所述变密度泡沫填充物601沿中心轴方向自左向右的密度越来越大。

碳纤维和纳米纤维填充板中大量错综复杂的纤维结构在压缩过程中的交互作用都能很好地提高整体结构的抗压性和吸能性。层级内芯301相比于传统单壁六边形管在多工况稳定性以及轴向压缩的吸能能力方面有着显著的优势。碳纤维和铝材都具有良好的耐撞性和吸能性，碳纤维的抗拉伸性能相对突出，而与之对应的铝材材料具有良好的抗压性能，与本身具有高效吸能特性的纳米纤维填充物组合成的三明治层级管可以起到优势互补，相辅相成的作用。同时，层级结构在面外的冲击工况下能够将冲击带来的能量，通过压溃，崩塌，撕裂等变形模式不同程度地进行耗散，有效保护乘员的安全。铝制层级内芯301的方形管中填充有密度成梯度变化的铝泡沫，分为三个梯度，密度由上而下逐渐提高，低密度设计的目的在于减小碰撞产生的冲击峰值力，最大限度减缓交通事故对驾驶人员及乘员的生命与财产安全，逐渐提高密度为了增加结构的整体吸能量，吸收碰撞带来的冲击能量。空心弹簧的优势在于第一阶段的蓄力过程能够有助于降低事故发生时产生的巨大碰撞初始峰值力，起到缓冲的作用；第二阶段达到蓄力极限后，外界冲击力将空心弹簧压溃，进入吸能阶段，既降低了碰撞初始峰值力，又起到一定的吸能作用，最大化了空心弹簧在吸能装置中缓冲吸能的作用。花瓣状环形外壁使得三明治层级管在外壁内发生交互变形，提高内部三明治层级管的材料利用率。

本发明提供的一种高效吸能的三明治层级吸能装置，各部件装配方便快捷，整体上避免了复杂的装配方式和机械构造。碳纤维具有强度高，在非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，热膨胀系数小，耐腐蚀性好等特点，可提高吸能装置的耐久度。并且，铝材，铝泡沫，纳米纤维填充物这些材料的抗腐蚀性能、抗氧化性好，耐久度高，能有效提高吸能装置的可持续使用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种三明治层级吸能装置，其特征在于包括三明治层级管、花瓣状外壁、弹性装置、变密度泡沫填充物；

所述三明治层级管自左向右依次包括左碳纤维板、左纳米纤维填充板、层级内芯、右纳米纤维填充板、右碳纤维板；所述弹性装置及变密度泡沫填充物间隔设置于所述层级内芯内；所述三明治层级管、左碳纤维板、左纳米纤维填充板、右纳米纤维填充板、右碳纤维板沿中心轴方向的投影均为圆形；

所述花瓣状外壁设置于所述三明治层级管外部；所述花瓣状外壁沿周向中心对称设置有多个半圆柱形凸部，所述半圆柱形凸部的长度方向平行于所述三明治层级管的长度方向。

2.根据权利要求1所述的一种三明治层级吸能装置，其特征在于，所述花瓣状外壁沿中心轴方向的投影具体为多个半圆弧头尾相连且沿中心对称设置；各个圆弧之间的夹角为10度。

3.根据权利要求2所述的一种三明治层级吸能装置，其特征在于，所述左碳纤维板与右碳纤维板的直径与所述花瓣状外壁的内壁直径相同；所述左纳米纤维填充板及右纳米纤维填充板均贴合于所述花瓣状外壁的内壁；所述花瓣状外壁与所述左碳纤维板与右碳纤维板密闭设置。

4.根据权利要求1所述的一种三明治层级吸能装置，其特征在于，所述层级内芯具体为6个弹性装置及6个变密度泡沫填充物相互间隔且沿中心对称设置。

5.根据权利要求4所述的一种三明治层级吸能装置，其特征在于，所述弹性装置具体为空心弹簧；所述空心弹簧具体设置于一铝制容置腔内；所述铝制容置腔沿中心轴方向的投影为一正六边形；所述变密度泡沫填充物具体为长方体结构；所述长方体沿中心轴方向的投影为正方形；所述正方形不相邻的两对边分别与一正六边形的一边长重合；所述正六边形的第一边长与第二边长分别与一正方向的边长重合；所述第一边长与第二边长具体为所述正六边形中中间间隔有一边长的两条边长。

6.根据权利要求5所述的一种三明治层级吸能装置，其特征在于，所述变密度泡沫填充物沿中心轴方向自左向右的密度越来越大。

7.根据权利要求1所述的一种三明治层级吸能装置，其特征在于，左纳米纤维填充板及右纳米纤维填充板均由轻质碳纤维丝与具有热固性的环氧树脂复合材料制成；所述轻质碳纤维丝在环氧树脂中是随机排布，并且轻质碳纤维丝之间相互交叉。