CN109720290B - 一种仿海鸥羽轴结构的吸能管 - Google Patents
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Abstract
一种仿海鸥羽轴结构的吸能管，其由内到外依次是由泡沫铝结构管、隔板、支柱、内层圆管、加强筋和外层圆管组成。泡沫铝结构管位于内层圆管的中心，内部通过隔板分成三个区域，支柱与内层圆管、隔板为一体，中间填充泡沫铝结构管，在一起共同构成仿生芯体，仿生芯体是通过模仿海鸥羽轴髓质内部封闭的细胞泡沫结构设计而成的，泡沫铝结构管的外周与内层圆管之间通过支柱的平滑过渡紧密结合在一起，支柱是模仿了羽轴皮层和泡沫之间的脊状突起。内、外层圆管之间通过多个加强筋连接在一起构成仿生外壳，仿生外壳是通过模仿海鸥羽轴皮质角化密集分层显微结构设计而成。本发明提高了仿生管在碰撞发生时的抗冲击特性以及吸能特性。
Description
技术领域
本发明属于汽车车辆碰撞冲力的吸能技术领域，涉及一种具有海鸥羽轴结构的仿生吸能元件。
背景技术
由于交通运输技术的进步和与此相关的财政投资的增加，汽车的数量显著增加。各种形式的碰撞等交通事故的发生，造成了巨大的人员和财产损失。社会对交通安全意识尤其是对于降低撞车后伤害程度意识的提高，推动了仿生吸能管的研究和开发。金属仿生管受到撞击载荷作用时，通过可控制的方式依靠自身的折叠式塑性变形产生一段压溃行程，达到吸收和耗散大量能量的目的，从而可以起到保护乘员的作用。因此，设计出一种轻量且吸能特性较高的仿生管，对于汽车行业健康发展以及保护人身财产安全等方面具有很高的实用价值。
发明内容
本发明目的是针对现有仿生管吸能效果不好，比吸能比较小的不足之处，提供一种仿海鸥羽轴结构吸能管，本发明能有效的提高车辆碰撞时的能量吸收量。
本发明根据海鸥羽轴径向、轴向的宏微观结构，提取出影响羽轴提供机械支撑，保护羽毛降低屈曲的可能性的结构特征参数，宏观上得出羽轴截面形状，微观上得出羽轴内部髓质和皮质的结合及分布规律。根据羽轴外观形态，设计仿生吸能管的宏观结构，根据皮质表现出的角化密集分层显微结构以及髓质皮质结合分布方式，设计仿生吸能管内部的内部结构。根据海鸥羽轴皮质与髓质之间的的脊状纤维突起，提取、简化曲线，得到周期为π的正弦函数，设计出与内层圆管为一体的支柱。海鸥羽轴的这种内部结构和优异的力学性能对仿生管的仿生研究具有重要的启发意义。仿生吸能管能过塑性弯曲、扭曲、屈曲等变形形式来吸收碰撞动能，同样，海鸥在受到风或者海浪的冲击时也可以通过羽轴吸收能量来达到保护自身平衡和羽毛结构完整的目的。
因此海鸥羽轴在结构和功能上与仿生吸能管有较高程度的相似性，从而本发明选取海鸥羽轴作为仿生吸能管仿生优化设计的生物原型。
本发明采用如下技术方案。
本发明结合了仿生学与吸能部件抗撞性能理论，通过对比分析，选取海鸥羽轴作为仿生吸能管仿生优化设计的生物原型，通过试验确定影响海鸥羽轴力学性能的主要结构特征，并合理应用到仿生吸能管的设计中，以此来设计出一种具有良好耐撞性能且质量较轻的仿生吸能管。
所提取出影响海鸥羽轴力学性能的结构特征参数为：海鸥羽轴主要由皮质和髓质两部分组成，由皮质到髓质硬度由外到内呈现出依次减小的梯度分布；皮质与髓质之间的一系列箭头状脊从纤维质延伸到侧面的泡沫侧，导致它们之间有锯齿状的接口，见图2-a，虚线为髓质内部的加强筋分布，这可以通过增加界面面积来促进两个组分之间的紧密结合；髓质内部从中心向边缘延伸的密集隔膜，形成加强筋，见图2-b，箭头状脊从纤维质延伸到泡沫侧；使羽轴受力均匀，提高抗弯能力。
本发明是一种多孔材料填充的管状吸能结构，本发明根据海鸥羽轴的结构设计而成，由泡沫铝结构管、隔板、支柱、内层圆管、加强筋和外层圆管组成。泡沫铝结构管位于内层圆管的中心，内部通过隔板分成3个区域，支柱与内层圆管、隔板为一体，中间填充泡沫铝结构管，在一起共同构成仿生芯体，仿生芯体是通过模仿海鸥羽轴髓质内部封闭的细胞泡沫结构设计而成的，泡沫铝结构管的外周与内层圆管之间通过支柱的平滑过渡紧密结合在一起，支柱是模仿了羽轴皮层和泡沫之间的脊状突起。内、外层圆管之间通过多个加强筋连接在一起构成仿生外壳，仿生外壳是通过模仿海鸥羽轴皮质角化密集分层显微结构设计而成。
所述的三个隔板均匀分布在泡沫铝结构管内部。
所述的多个支柱均匀分布在泡沫铝结构管和内层圆管之间。
所述的多个加强筋均匀分布在内层圆管和外层圆管之间。
所述泡沫铝结构管材料为泡沫铝，其密度0.37×10-6kg/mm3、泊松比0.3，弹性模量1.2GPa。
所述各组支柱之间间隔60°，从0°开始，每个支柱间隔10°，组内每段曲线近似符合周期为π的正弦函数，Y＝A sinX,Y为最高点到内层圆管内壁之间的法向距离，X为极坐标中极角x在各分段函数计算后的角度，以满足周期为π，组内各曲线的A值之比为8：4：4：2：2：1。
以此类推。
所述内层圆管和外层圆管采用不同硬度的金属材料，所述的构成仿生外壳的外层
圆管和内层圆管在硬度上呈现梯度分布，从而模拟海鸥羽轴从外到内硬度依次减小的梯度
分布。
所述内层圆管、支柱、隔板的材料均采用6061铝合金，其屈服强度276MPa、泊松比0.33、密度2.73×10-6kg/mm3、硬度为95HB、弹性模量为68.9GPa。
所述外层圆管、加强筋采用的材料为碳钢，其屈服强度430MPa、泊松比0.3、密度7.85×10-6kg/mm3、弹性模量210GPa。
所述泡沫铝填充管基于轴向冲击荷载下的平均压缩荷载公式如下：
利用上述公式作为泡沫密度、管材强度和管材厚度以及尺寸等因素的选择依据；其中，Cavg，α，β是无量纲常数，b，h分别为外径和壁厚，为空管的平均压缩荷载，/>为泡沫材料的平均压缩荷载，/>为内层圆管壁和泡沫铝的相互作用，σf，σ0分别为泡沫铝的应力和内层圆管壁的准静态应力。
本发明的有益效果：
1、本发明结构比吸能效果显著，同时提高了吸能管的抗冲击能力。
2、将泡沫铝泡沫铝结构圆的复合结构填充在仿生吸能管内部，在碰撞过程中，提高了仿生管的强度和刚度，同时均匀分布的隔板使得仿生管所受到的冲击载荷均匀分布，提高抗弯能力，使仿生管的变形相对稳定，均匀分布的支柱使得泡沫铝与内层圆管之间平滑过渡，提高了轴的整体性和吸能性。
附图说明
图1是本发明立体示意图。
图2是海鸥羽轴结构图片。
图3是本发明端面视图。
图4是本发明仿生芯体视图。
图5是本发明的仿生外壳结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1、图3、图4和图5所示，本发明是由泡沫铝结构管1、隔板2、支柱3、内层圆管4、加强筋5和外层圆管6组成，泡沫铝结构管1位于内层圆管4的中心，内部通过三个隔板2分成三个区域，支柱3与内层圆管4、隔板2为一体，中间填充泡沫铝结构管1，在一起共同构成仿生芯体，泡沫铝结构管1的外周与内层圆管4之间通过支柱3的平滑过渡紧密结合在一起，内层圆管4和外层圆管6之间通过多个加强筋5焊接在一起构成仿生外壳。
所述的三个隔板2均匀分布在泡沫铝结构管1内部。
所述的多个支柱3均匀分布在泡沫铝结构管1和内层圆管4之间。
所述的多个加强筋5均匀分布在内层圆管4和外层圆管6之间。
所述的泡沫铝结构管1的材料为泡沫铝，其密度0.37×10-6kg/mm3、泊松比0.3，弹性模量1.2GPa。
各组支柱3之间间隔60°，从0°开始，每个支柱3间隔10°，组内每段曲线近似符合周期为π的正弦函数，Y＝A sinX,Y为最高点到内层圆管4内壁之间的法向距离，X为极坐标中极角x在各分段函数计算后的角度，以满足周期为π，组内各曲线的A值之比为8：4：4：2：2：1。
以此类推。
内层圆管4和外层圆管6采用不同硬度的金属材料，构成仿生外壳的外层圆管6和内层圆管4在硬度上呈现梯度分布，从而模拟海鸥羽轴从外到内硬度依次减小的梯度分布。
内层圆管4、支柱3、隔板2的材料均采用6061铝合金，其屈服强度276MPa、泊松比0.33、密度2.73×10-6kg/mm3、硬度为95HB、弹性模量为68.9GPa。
外层圆管6和加强筋5采用的材料为碳钢，其屈服强度430MPa、泊松比0.3、密度7.85×10-6kg/mm3、弹性模量210GPa。
所述泡沫铝填充管基于轴向冲击荷载下的平均压缩荷载公式如下：
利用上述公式作为泡沫密度、管材强度和管材厚度以及尺寸等因素的选择依据；其中，Cavg，α，β是无量纲常数，b，h分别为外径和壁厚，为空管的平均压缩荷载，/>为泡沫材料的平均压缩荷载，/>为内层圆管壁和泡沫铝的相互作用，σf，σ0分别为泡沫铝的应力和内层圆管壁的准静态应力。
Claims (3)
1.一种仿海鸥羽轴结构的仿生吸能管，其特征在于：是由泡沫铝结构管(1)、隔板(2)、支柱(3)、内层圆管(4)、加强筋(5)和外层圆管(6)组成，泡沫铝结构管(1)位于内层圆管(4)的中心，内部通过三个隔板(2)分成三个区域，支柱(3)与内层圆管(4)、隔板(2)为一体，中间填充泡沫铝结构管(1)；
所述的泡沫铝结构管(1)、隔板(2)、支柱(3)共同构成仿生芯体，泡沫铝结构管(1)的外周与内层圆管(4)之间通过支柱(3)的平滑过渡紧密结合在一起，内层圆管(4)和外层圆管(6)之间通过多个加强筋(5)连接在一起构成仿生外壳；
所述的三个隔板(2)均匀分布在泡沫铝结构管(1)内部，多个支柱(3)将泡沫铝结构管(1)与内层圆管(4)平滑过渡紧密结合，多个加强筋(5)均匀的分布在内层圆管(4)和外层圆管(6)之间；
各组支柱(3)之间间隔60°，从0°开始，每个支柱(3)间隔10°，组内每段曲线近似符合周期为π的正弦函数，Y＝A sinX,Y为最高点到内层圆管(4)内壁之间的法向距离，X为极坐标中极角x在各分段函数计算后的角度，以满足周期为π，组内各曲线的A值之比为8：4：4：2：2：1；
2.根据权利要求1所述的一种仿海鸥羽轴结构的仿生吸能管，其特征在于：所述的泡沫铝结构管(1)、内层圆管(4)和外层圆管(6)在硬度上呈现梯度分布，泡沫铝结构管(1)的材料为泡沫铝，内层圆管(4)的材料为铝合金，外层圆管(6)的材料为碳钢。
3.根据权利要求1所述的一种仿海鸥羽轴结构仿生的吸能管，其特征在于：所述泡沫铝结构管(1)基于轴向冲击荷载下的平均压缩荷载公式如下：
利用上述公式作为泡沫密度、管材强度和管材厚度以及尺寸等因素的选择依据；其中，Cavg,α，β是无量纲常数，b,h分别为外径和壁厚，为空管的平均压缩荷载，/>为泡沫材料的平均压缩荷载，bm＝b-h，bi＝b-2h,/>为内层圆管壁和泡沫铝的相互作用，σf，σ0分别为泡沫铝的应力和内层圆管壁的准静态应力。
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