CN109927305A - 一种复合结构防撞梁及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合结构防撞梁及其制备方法，其中，防撞梁本体包括梁外层、梁中层、梁内层以及设置在梁内层内部的加强筋；所述梁外层和梁内层采用复合材料；所述梁中层和所述加强筋采用金属材质制成，且该金属材质为从两端到中间逐渐加厚的变厚度结构；吸能盒的横截面为正八边形柱形薄壁结构，内部为空腔，其包括盒外层、盒中层和盒内层；所述盒外层和盒内层采用复合材料；所述盒中层采用金属材质制成，且该金属材质由一端向另一端逐渐变厚的单向变厚度结构；所述安装板用来连接吸能盒与纵梁，其由金属材质制成。本发明在保证结构轻量化的条件之下有效增强了汽车在正面和偏置碰撞时的安全性。

Description

一种复合结构防撞梁及其制备方法

技术领域

本发明涉及车辆工程领域，具体涉及一种复合结构防撞梁及其制备方法。

背景技术

作为汽车碰撞时与碰撞物体接触的首要车身安全部件，汽车前防撞梁将起到抵抗碰撞、吸收能量、传导冲击的作用，在低速碰撞事故中，防撞梁及其系统需要充分吸收冲击能量，保护后侧汽车零部件免受损坏，在高速碰撞时则需要尽可能多的吸收能量，并将剩余能量传递到后侧吸能盒和前纵梁，以尽量减少对乘客的伤害。因此，防撞梁的耐撞性、吸能性和能量传导性对整车的碰撞安全起着至关重要的作用。

目前，汽车行业对以高强钢和铝合金为主的传统金属防撞梁的技术研究已日趋成熟，其发展潜力和方向也已基本定型，并且由于自重大、吸能不足等缺陷的存在，其综合性能一直难以得到质的提升，而纤维增强复合材料比重小，比强度和比吸能高，拥有良好的抗疲劳、冲击和断裂性能，已越来越受到汽车行业的重视，但由于其制造成本高昂，在一定程度上限制了应用的范围，不仅如此，当前防撞梁结构设计过于单一，在车辆碰撞时通过自身塑性变形吸收冲击动能的能力有限，更难以合理的将冲击动能分配和传递到后方，因此，设计出综合两种材料优势的高性能新型复合结构防撞梁，已成为目前汽车行业一项重要的任务。

当前，汽车行业在复合结构防撞梁方面开展的研究尚在起步阶段，在提升吸能性和减缓碰撞的能力上还有很多改进的余地，如公布号为CN205871968U的中国发明专利，公布了一种“复合结构汽车保险杠防撞梁”，该防撞梁由高强钢外板和碳纤维复合材料内板粘接在一起复合而成，其结构为层合板结构，此种方式存在很大的进步空间，如较为简单的结构将影响其向后侧分散和传导冲击能量的能力，单层复合板在吸能方面跟复合结构梁相比也存在着明显的不足，难以同时满足对耐撞、吸能及传力等几方面的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有的汽车防撞梁采用全金属材料自重较大，采用全复合材料成本较高，采用金属-复合材料结构较简单等问题，本发明提供一种复合结构防撞梁及其制备方法，其采用轻质、高耐撞性、高吸能并具有新型结构的复合材料-金属制作而成。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种复合结构防撞梁及其制备方法，其包括：防撞梁本体、与防撞梁本体连接的多个吸能盒、固定在吸能盒底部的安装板以及固定在吸能盒侧边的前拖钩安装架；

其中，所述防撞梁本体整体呈拱形，为左右对称式中空结构，横截面为双矩形，包括梁外层、梁中层、梁内层以及设置在所述梁内层内部的加强筋；所述梁外层和梁内层采用复合材料；所述梁中层和所述加强筋采用金属材质制成，且该金属材质为从两端到中间逐渐加厚的变厚度结构；

所述吸能盒的横截面为正八边形柱形薄壁结构，内部为空腔，其包括盒外层、盒中层和盒内层；所述盒外层和盒内层采用复合材料；所述盒中层采用金属材质制成，且该金属材质由一端向另一端逐渐变厚的单向变厚度结构；

所述安装板用来连接吸能盒与纵梁，其由金属材质制成。

更优选地，所述复合材料选用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维及综合三种纤维的混合编织复合材料或混铺复合材料。

更优选地，所述混合编织复合材料为热塑性或热固性材料，其通过模压成型。

更优选地，所述混铺复合材料采用玻纤-碳纤-玻纤三层层间混铺复合材料。

更优选地，所述金属材质的上下表面均为凹凸窝型结构。

本发明还提供一种复合结构防撞梁的制备方法，所述制备方法包括：

步骤S10，采用从两端到中间逐渐加厚的辊压方式制作金属材质的防撞梁本体的梁中层与加强筋；

步骤S20，采用单向变厚度轧制的方法加工金属材质的吸能盒的盒中层；

步骤S30，加工吸能盒的盒内层，所述盒内层采用混合编织复合材料和混铺复合材料预浸料并用胶粘剂粘贴于盒中层内部；接着，使用特制气囊伸入吸能盒内部，通过控制气囊充气来施加压力，经过一段时间的加温加压和保温保压得到粘附于盒中层内部的盒内层；

步骤S40，加工防撞梁本体的梁内层，所述梁内层采用混合编织复合材料或混铺复合材料预浸料并用胶粘剂粘贴于梁中层内部；接着，使用气囊伸入防撞梁本体内部，通过控制气囊充气来施加压力，经过一段时间的加温加压和保温保压得到粘附于梁中层内部的梁内层；

步骤S50，将制造完成的防撞梁本体的梁中层，吸能盒的盒中层，前拖钩安装架以及安装板依次分别连接安装；

步骤S60，加工防撞梁本体的梁外层和吸能盒的盒外层；将混合编织复合材料或混铺复合材料预浸料用胶粘剂包覆于梁中层的侧面和吸能盒的侧面上，然后总体缠以热收缩膜，通过加温加压使梁外层和梁中层通过胶粘剂紧密的连接在一起，以及使吸能盒的盒外层和盒中层通过胶粘剂紧密的连接在一起，经保温保压一段时间后即得到复合结构防撞梁。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：

本发明从轻量化，耐撞性，经济性等几方面出发，将现有技术加以整合完善，综合考虑各方面因素，具有良好的应用前景，具有如下技术效果：

1、本发明采用金属-复合材料的混合结构形式，综合了两者的优良性能，使二者性能得到了互补。本发明中层采用低密度，高强度并且易加工的铝合金材料，内外层均采用高比模量、比强度，轻质高强并且易成型碳纤维编织复合材料和高抗拉强度、高韧性、价格低廉的玻璃纤维，在控制自重和吸能性方面优于传统金属防撞梁，在成本控制和耐撞性方面优于全复合材料防撞梁，发挥了两者的优势，在保证结构轻量化的条件之下有效增强了汽车在正面和偏置碰撞时的安全性，降低了乘员的伤亡。

2、本发明采用了多种新型结构，其中，吸能盒和防撞梁的变厚度结构通过优化厚度方向的材料分布来满足不同部位性能的差异，从而减少了材料的消耗，进一步减轻了自重；凹凸窝型的表面结构可以大幅提高材料的吸能性，减少了材料消耗，达到提升性能和轻量化的目的；玻璃纤维韧性高而强度低，碳纤维强度高而韧性低，但玻纤价格远远低于碳纤，采用玻纤-碳纤-玻纤三层层间混铺结构，二者性能互补，对比单一碳纤维材料结构，不仅综合了两者优点，提升了抗弯防撞性能和吸能性，而且成本方面也有了较明显的降低，提高了经济性。

3、本发明在所述复合结构防撞梁内部布置加强筋以提高防撞梁对抗外来冲击能力，能有效实现能量的传递，形成了能量传导路径，合理的分配了冲击能量的吸收，良好的贯彻了汽车碰撞领域“一点受力，全身受力”的理念。

4、本发明内外层采用胶接进行连接，避免了了开孔等因素对复合材料造成的整体性能影响，凹凸窝型的结构能使复合材料与铝合金的结合变得更加的紧密和可靠，充分利用并扩大了碳纤维复合材料与铝合金材料的优势。

5、本发明不局限于固定材料与尺寸，可灵活调整具体细节以获得不同性能方面的需求，如：在设计内外层层间混铺复合材料时可考虑加入更为廉价、性能优良的玄武岩纤维铺层，可设计不同的铺层角度和铺层顺序以追求更高的性能和性价比要求，可设计更加多样化的“十字形”加强筋以优化防撞梁的耐撞性等，根据不同的设计要求和侧重点，在成本、性能与重量之间找到最佳平衡点，为不同档次的车型提供多种柔性的选择方案。

附图说明

图1本发明的复合结构防撞梁的结构示意图；

图2-1为本发明复合结构防撞梁的主视图；

图2-2为本发明复合结构防撞梁的俯视图；

图2-3为本发明图2-1中的A-A视图；

图2-4为本发明图2-1中的B-B视图。

图中：

防撞梁本体1、吸能盒2、安装板3、前拖钩安装架4；梁外层11、梁中层12、梁内层13、加强筋14；盒外层21、盒中层22和盒内层23。

具体实施方式

为了帮助本领域技术人员更清楚的领会发明人的思路和意图，以下将结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

实施例一

本发明提供一种复合结构防撞梁，其结构如图1、图2-1～图2-4所示，整体为左右对称式结构，包括：

防撞梁本体1、与防撞梁本体1连接的吸能盒2、固定在吸能盒2底部的安装板3以及固定在吸能盒2侧边的前拖钩安装架4。

上述防撞梁本体1的结构如图1、图2-1～图2-3所示，其整体呈拱形，为左右对称式中空结构，横截面为双矩形，包括梁外层11、梁中层12、梁内层13。梁内层13内部有空腔并以加强筋14隔开；加强筋14的数量为1，且宽度与所述防撞梁本体1相一致。梁外层11、梁中层12、梁内层13和加强筋14通过胶粘连接在一起构成防撞梁本体1。

梁外层11和梁内层13采用复合材料，该复合材料可选用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维及综合三种纤维的混合编织复合材料或混铺复合材料材料。该纤维的混合编织复合材料为热塑性或热固性材料，其制作工艺为模压成型。本实施例中采用玻纤-碳纤-玻纤三层层间混铺复合材料。

梁中层12为矩形结构，其由所述铝合金薄板等金属制件冷弯成型且辅以焊接制作而成。上述加强筋14为条形结构，采用铝合金薄板等金属构件制成。上述梁中层12和上述加强筋14的铝合金薄板为从两端到中间逐渐加厚的变厚度结构，厚度变化由特定函数控制。铝合金薄板上下表面均为凹凸窝型结构。该变厚度和凹凸窝型材料结构通过辊压轧制实现。

梁外层11、梁中层12、梁内层13和加强筋14的厚度范围均为1～4mm。

上述吸能盒2沿防撞梁本体1的长度方向上布置，其数量不少于两个。吸能盒2的结构如图1和图2-4所示，其横截面为正八边形柱形薄壁结构，内部为空腔，其包括盒外层21、盒中层22和盒内层23。吸能盒2采用与上述防撞梁本体1相同的材料和制造工艺，即盒外层21和内层23采用复合材料。盒中层22采用金属构件制成，其采用由一端向另一端逐渐变厚的单向变厚度结构。

上述安装板3用来连接吸能盒2与纵梁，其由铝合金板等金属材料板制成，其结构如图2-2和图2-4所示，其上设置有第一安装孔31、中心通孔32和第二安装孔33。第一安装孔31用于连接前纵梁；中心通孔32用来辅助螺栓的安装，并可用于防撞梁安装情况的检测与维修。第二安装孔33用于备用连接或加强连接，还可用于焊接吸能盒或连接前纵梁时辅助定位。

本发明实施例一通过将梁外层11和梁内层13的材料替换为复合材料从而获得吸能性能的提升和自重的减轻，通过使用混合编织复合材料和碳/玻纤维混铺复合材料来提升抗弯防撞性，通过合理的设计加强筋达到性能和加工制造成本两者之间的平衡。

实施例二：

本发明还提供一种复合结构防撞梁的制备方法，该制备方法中，由于梁中层12和盒中层22采用金属材质，而梁外层11、梁内层13、盒外层21和盒内层23采用复合材料，所以必须采用分层加工。

其中，所述防撞梁本体1的梁中层12制备工艺为：由两端向中间逐渐变厚的变厚度结构通过特定程序控制两轧制辊子之间的相对距离实现，带有凹凸窝型的表面结构通过一对表面布有特殊齿的特制辊子实现，矩形截面结构由金属板材冷弯成型实现；梁外层11制备工艺为：将已剪裁好的若干片玻璃纤维复合材料通过胶接剂分区域分别包覆于已加工的梁中层的各外侧面之上，再以相同方法按顺序包覆一层碳纤维和玻璃纤维，再缠绕一层热收缩膜后经加温加压和保温保压制成；梁内层13制备工艺为：将已剪裁好的若干片玻璃纤维复合材料通过胶接剂分区域分别粘贴于与防撞梁内层接触的梁中层12、加强筋14各内侧面之上，再以相同方法按顺序包覆一层碳纤维和玻璃纤维，然后将特制气囊伸入防撞梁空腔内，通过气囊充气来施加对梁内层13的压力，经加温加压和保温保压制成。

对于吸能盒2采用的制备工艺与上述防撞梁本体1类似，这里不再详细描述。

本发明提供的一种复合结构防撞梁的制备方法的具体实现步骤如下：

步骤S10，采用从两端到中间逐渐加厚的辊压方式制作金属材质的防撞梁本体1的梁中层12与加强筋14；

由于铝合金材料具有低密度、高强度、高塑性的特点，可加工成各种形状，采用辊压制造，工艺简单，成本较低，生产效率较高。该步骤S10的具体流程如下：

步骤S101，将金属材质板料(如铝合金板料)通过一对相对中心距离可控的辊子，通过编写特定程序控制两辊子的相对中心距离来轧制由两端向中间逐渐变厚的变厚度板材。

变厚度结构通过优化厚度方向的材料分布来满足不同部位性能的差异，减少了材料的消耗，减轻了自重。

步骤S102，将得到的变厚度板材通过一对表面排布有特殊齿的辊子，辊齿轧过板料在其表面留下一排排窝型凹坑，得到两表面均带有凹凸窝型结构的梁中层12铝合金板材。

凹凸窝型的表面结构能大幅提升板材的吸能效果，增强与复合材料间的界面结合强度，间接减少了材料消耗，同时获得轻量化和性能上的提升。

步骤S103，将采用相同工艺轧制的带凹凸窝型的等厚度加强筋板的长边焊接到所述梁中层铝合金板材上，焊接位置为板料对称轴，焊接方向与轧制方向相同。

设置的加强筋板能够提高防撞梁的承载能力并合理的将受到的冲击向防撞梁各处分散，有效的提高了耐撞性和吸能性。

步骤S104，将焊接好的梁中层铝合金板材通过冷弯工艺将板材加工成径向等厚、轴向变厚度的开槽矩形梁，冷弯方向垂直于轧制方向，同时加强筋未焊接的另一长边正好位于该槽之中，最后将二者焊接在一起共同形成防撞梁本体的梁中层12与内部加强筋14。

步骤S20，采用单向变厚度轧制的方法加工金属材质的吸能盒2的盒中层22；该步骤S20的具体实现步骤如下：

此单向变厚度轧制方法是指让被加工件的一端向另一端逐渐变厚的轧制方法，其余工艺和制造方式与防撞梁相同，这里不再详细描述。

步骤S30，加工吸能盒2的盒内层23，所述盒内层23采用混合编织复合材料和混铺复合材料预浸料并用胶粘剂粘贴于盒中层22内部；接着，使用特制气囊伸入吸能盒内部，通过控制气囊充气来施加压力，经过一段时间的加温加压和保温保压得到粘附在盒中层22内部的盒内层23；

吸能盒2的盒内层23的材料采用热塑性编织玻璃纤维和碳纤维复合材料混合铺层。

采用热塑性编织玻璃纤维和碳纤维复合材料混合铺层加工吸能盒的盒内层23材料，制造简便，易于加工，由于吸能盒2内部空间限制，一般制造方法已经不适应，只能采用特殊方法制造，具体操作步骤为：首先，吸能盒2的铝合金盒中层22内外两侧均用丙酮擦洗，除去污渍；然后以玻-碳-玻的顺序依次将剪裁好形状的玻璃纤维和碳纤维预浸料用胶粘剂粘贴于铝合金盒中层22内部；接着，使用特制气囊伸入吸能盒内部，通过控制气囊充气来施加压力，经过一段时间的加温加压和保温保压得到所需的产品。

步骤S40，加工防撞梁本体1的梁内层13，所述梁内层13采用混合编织复合材料和混铺复合材料预浸料并用胶粘剂粘贴于梁中层12内部；接着，使用特制气囊伸入防撞梁本体1内部，通过控制气囊充气来施加压力，经过一段时间的加温加压和保温保压得到粘附在梁中层12内部的梁内层13。

加工防撞梁本体1的复合材料梁内层13，加工方法与吸能盒复合材料盒内层23的加工方法一致。

步骤S50，将防撞梁本体的梁中层12、吸能盒2的盒中层22、前拖钩安装架4以及安装板3依次分别连接安装。

步骤S60，加工防撞梁本体1的梁外层11和吸能盒2的盒外层21；将混合编织复合材料和混铺复合材料预浸料用胶粘剂分别包覆于梁中层12的侧面和吸能盒2的侧面上，然后总体缠以热收缩膜，通过加温加压使梁外层11和梁中层12通过胶粘剂紧密的连接在一起，以及使吸能盒2的盒外层21和盒中层22通过胶粘剂紧密的连接在一起，经保温保压一段时间后即得到复合结构防撞梁。

梁外层11和盒外层21采用热塑性编织玻璃纤维和碳纤维复合材料混合铺层，加工简单，由于已焊接过的铝合金梁中层和盒中层不再为简单的几何结构，因此采用分区域包覆的方法制造，具体实现方法为：碳纤维复合材料外层和防撞梁铝合金中层均用丙酮擦洗，除去污渍，以玻-碳-玻的顺序依次将剪裁好形状的玻璃纤维和碳纤维预浸料用胶粘剂分别包覆于铝合金梁中层12的四个侧面和两个吸能盒2的侧面上，其中，防撞梁本体1的后侧面由于与吸能盒2和前拖钩安装架4的连接，将分成三个区域分别包覆，然后总体缠以热收缩膜，通过加温加压使防撞梁1和吸能盒2的碳纤维复合材料外层和铝合金中层通过胶粘剂紧密的连接在一起，经保温保压一段时间后即得到最终的复合结构防撞梁成品。

由上述制作方法可以看出，梁内层13、梁外层11加工之前须依次将防撞梁本体1的金属材质梁中层12、吸能盒2的金属材质盒中层22和安装板3连接在一起，连接方式为焊接。在对防撞梁本体1的金属材质梁中层12、吸能盒2的金属材质盒中层22和安装板3进行连接之前须先加工吸能盒2的盒内层23和防撞梁本体1的梁内层13。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (6)

1.一种复合结构防撞梁，其包括防撞梁本体(1)、与防撞梁本体(1)连接的多个吸能盒(2)、固定在吸能盒(2)底部的安装板(3)以及固定在吸能盒(2)侧边的前拖钩安装架(4)；其特征在于，

所述防撞梁本体(1)整体呈拱形，为左右对称式中空结构，横截面为双矩形，包括梁外层(11)、梁中层(12)、梁内层(13)以及设置在所述梁内层(13)内部的加强筋(14)；所述梁外层(11)和梁内层(13)采用复合材料；所述梁中层(12)和所述加强筋(14)采用金属材质制成，且该金属材质为从两端到中间逐渐加厚的变厚度结构；

所述吸能盒(2)的横截面为正八边形柱形薄壁结构，内部为空腔，其包括盒外层(21)、盒中层(22)和盒内层(23)；所述盒外层(21)和盒内层(23)采用复合材料；所述盒中层(22)采用金属材质制成，且该金属材质由一端向另一端逐渐变厚的单向变厚度结构；

所述安装板(3)用来连接吸能盒(2)与纵梁，其由金属材质制成。

2.根据权利要求1所述的一种复合结构防撞梁，其特征在于，

所述复合材料选用碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维及综合三种纤维的混合编织复合材料或混铺复合材料。

3.根据权利要求2所述的一种复合结构防撞梁，其特征在于，

所述混合编织复合材料为热塑性或热固性材料，其通过模压成型。

4.根据权利要求2所述的一种复合结构防撞梁，其特征在于，

所述混铺复合材料采用玻纤-碳纤-玻纤三层层间混铺复合材料。

5.根据权利要求1所述的一种复合结构防撞梁，其特征在于，

所述金属材质的上下表面均为凹凸窝型结构。

6.一种复合结构防撞梁的制备方法，其特征在于，所述复合结构防撞梁为权利要求1至5任意一项的所述复合结构防撞梁，所述制备方法包括：

步骤S10，采用从两端到中间逐渐加厚的辊压方式制作金属材质的防撞梁本体(1)的梁中层(12)与加强筋(14)；

步骤S20，采用单向变厚度轧制的方法加工金属材质的吸能盒(2)的盒中层(22)；

步骤S30，加工吸能盒(2)的盒内层(23)，所述盒内层(23)采用混合编织复合材料和混铺复合材料预浸料并用胶粘剂粘贴于盒中层(22)内部；接着，使用特制气囊伸入吸能盒内部，通过控制气囊充气来施加压力，经过一段时间的加温加压和保温保压得到粘附于盒中层(22)内部的盒内层(23)；

步骤S40，加工防撞梁本体(1)的梁内层(13)，所述梁内层(13)采用混合编织复合材料或混铺复合材料预浸料并用胶粘剂粘贴于梁中层(12)内部；接着，使用气囊伸入防撞梁本体(1)内部，通过控制气囊充气来施加压力，经过一段时间的加温加压和保温保压得到粘附于梁中层(12)内部的梁内层(13)；

步骤S50，将制造完成的防撞梁本体的梁中层(12)，吸能盒(2)的盒中层(22)，前拖钩安装架(4)以及安装板(3)依次分别连接安装；

步骤S60，加工防撞梁本体(1)的梁外层(11)和吸能盒(2)的盒外层(21)；将混合编织复合材料或混铺复合材料预浸料用胶粘剂包覆于梁中层(12)的侧面和吸能盒(2)的侧面上，然后总体缠以热收缩膜，通过加温加压使梁外层(11)和梁中层(12)通过胶粘剂紧密的连接在一起，以及使吸能盒(2)的盒外层(21)和盒中层(22)通过胶粘剂紧密的连接在一起，经保温保压一段时间后即得到复合结构防撞梁。