CN110341634A - 一种新型吸能结构车门的设计与制造方法 - Google Patents

一种新型吸能结构车门的设计与制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明是针对现有汽车车门的安全防护强度不足，能量消耗大，密度较低，而提出的一种新型吸能结构车门的设计与制造。这种新型吸能结构安全缓冲泄能是通过形变将外力做功转换成其他形式的能力形式，采用纳米多孔结构和流体混合成复合结构，在外力冲击下通过液体挤入纳米多孔的孔道，使机械能向固液界面的转换，实现外力缓冲，起到车门安全防护的效果。这种纳米多孔结构结构，其材料能够重复利用，节约成本，缓冲距离长，安全防护性能高。

Description

一种新型吸能结构车门的设计与制造方法
技术领域
本发明提出一种新型吸能结构车门的设计与制造方法，属于汽车设计与制造领域。
背景技术
汽车的安全防护一直是汽车时代的基本安全问题，研究汽车的安全防护结构的设计与制造是汽车安全行驶的根本保障。对于汽车的被动安全性的设计围绕汽车结构的耐碰撞来展开，其中主要研究汽车车门结构对碰撞能量的吸收特性，在保证乘员安全空间的前提下使车身吸收的能量最大，从而使传递车身的碰撞能量达到最小。车门的强度越高，承受冲击的能量就越高，为此人们希望选用高强度材料经车门的异常坚固来抵挡较大冲击。现有的汽车安全防护都是采用硬防护，利用汽车结构件本身的溃缩变形来对抗碰撞，实现防护。这种防护的吸能量防护结构仅仅靠的结构材料本身的变形，实现防撞吸能。然而，汽车的抗碰撞防护并不是仅仅取决于车门的结构及其材料的强度。能承受较大的冲击力并不表示具有较强的抗撞击能力。高强度材料支撑的车门在碰撞过程延续的时间短，能量吸收差，汽车实践受到的冲击力可能更大。
预使汽车具有较强的抗碰撞能力，车门应具有足够的强度和刚度。即在充分大的冲击力作用下，车门不应该碎裂且变形不超出允许范围。同时，车门结构还应该具备相当的缓冲能力。现有汽车车门上安装钢质横杆来制成缓冲器，还有加装橡胶垫来制作缓冲器，但这种被动的防护也存在延续时间短，冲击能量吸收效果差的问题。
发明内容
本发明针对现有汽车车门被动防护结构溃缩变形的防护缓冲量低，冲击力量小，延续时间短等的不足，提出一种新型吸能结构车门的设计与制造方法。本发明所提出的吸能结构的防护门的设计装置是利用纳米多孔结构与流通材料制成固液复合结构实现对外界碰撞冲击的缓冲作用。
本发明的这种汽车车门的多孔吸能结构装置是利用增材制造的方式制成多孔纳米复合结构单元，将这些复合结构缓冲单元安装在车门的相应受力集中的位置。这些位置的确定是依据车门在受外界碰撞冲击后变形的有限元分析后经过计算分析后而得到。这些位置的碰撞冲击的缓冲量大，其他位置的碰撞缓冲量小，如图1所示车门撞击后的有限元分析云图。
本发明的吸能结构的工作原理是当外界冲击下微纳液体复合结构，被挤压到多孔微纳材料的孔径中，随着纳米多孔结构的密度由外向内逐渐增加，冲击的缓冲液逐渐变大逐渐增加，并达到设计的极限。这时液体在系统的材料，其设计原理如图2所示。
本发明的微纳复合液体缓冲结构，在车门的边缘处，其微纳变形结构单元分布较为疏松，分布密度低。而在车门的中部，由于外界的冲击作用集中在此区域，为此，设计在车门中间部位分布的微纳复合结构。
在微纳多孔材料中，其中气泡尺寸平局约为Φ10～Φ1000nm，其表面积/体积的约为1～1000。这些气泡为冲击过程中的能量转换提供了很大的空间。
车门的微纳复合液体缓冲结构如图所示，其中包括密封圈1、后壳体2、注塑孔3、前壳体4、微纳多孔气5、液体6。内部结构为多孔气泡结构，其多孔气泡的直径平局约为Φ10～Φ1000nm，其表面积/体积的约为1～1000，其能量吸收密度在60～100J/g。
本发明采用的发泡材料分为高聚合物泡沫材料，如EPP、EPE、EPS、EVA、发泡海绵、聚氨酯、HDPE、LDPE以及金属泡沫、泡沫铝、多孔编织复合、涤纶、硅胶、硅橡胶、硅树脂等材料。
液体可以为去离子水、机油、纯净水等。
制造方法：
利用3D打印机，依据车门不同位置和结构打印成空间泡沫骨架，形成车门龙骨的立体结构，然后利用泡沫吹塑机制造出多孔微纳尺寸的泡沫，填充到车门的龙骨的的空间中，制成一体化结构或单元分布结构的缓冲结构的车门。
本发明具有如下效益：（1）本发明的一种新型吸能结构车门的设计提供了利用微纳多孔泡沫结构实现车门安全缓冲防护的新方法。（2）针对车门的防撞而设计制造了新的缓冲结构构件。（3）这种多孔复合液体缓冲结构不仅能提高了撞击缓冲的能力，而且极大提高对车内乘员的安全防护程度。（4）这种制造方法开创了增材制造方法新的应用领域。 5）本发明对新能源汽车新技术应用提供了有效的范例。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：
图1为车门撞击后的有限元分析云图；
图2为微纳复合液体缓冲结构图；
图3为新型的微纳复合液体吸能缓冲盒图；
图4为新型的微纳复合液体吸能缓冲盒在车门的受力点图；
图5为车门内支撑杆与微纳复合缓冲结构一体化设计图。
1为密封圈、2为后壳体、3为注塑孔、4为前壳体、5为微纳多孔气泡、6为液体、7为载荷、8活塞、9为密封圈、10为腔体、11为纳米多孔气泡、12为去离子水、13为受力点1、14为第二受力点、15为第三受力点、16为第四受力点、17为第五受力点、18为一体结构微纳复合液体吸能缓冲盒、19为支架。
具体实施例1
1、新型的微纳复合液体吸能缓冲盒的设计，如图3所示。其中纳米多孔结构利用聚氨酯多孔纳米泡沫11，液体利用去离子水12。利用橡胶的密封圈9，活塞8采用碳纤维聚醚醚酮复合材料制成，载荷7结构利用碳纤维聚醚醚酮材料制成。具体参数为直径为Φ6.35mm，活塞长度为6.35mm，腔体外直径Φ9.5mm，内腔直径为Φ6.35mm，腔体长30mm
当本发明的吸收盒收到外界的冲击后，去离子水在载荷作用下渗透进入憎水的聚氨酯纳米泡沫孔道中实现将机械能向纳米尺度的“固液界面能”的能量转换。
2、以新型的微纳复合液体吸能缓冲盒构成的缓冲车门单元结构规格。单元结构在车门的安装方式是按照冲击力作用车门的有限元分析的结构，将这种微纳复合液滴单元安装在车门受力点和形变量最大的地方安装吸能缓冲盒。其中第一受力点13、第二受力点14、第三受力点15、第四受力点16、第五受力点17等众多受力点上安装这种新型微纳复合液体吸能盒结构单元，如图4所示。
3、新型的微纳复合液体吸能缓冲盒单元结构构成的缓冲车门的制造方法。
利用软质聚氨酯多孔纳米泡沫和去离子水充满混合腔体，其中分布在缓冲腔的底部充满了多孔聚氨酯泡沫，其密度较高，填充充实，在缓冲腔的上部，即与碳纤维聚醚醚酮复合材料利用3D打印制成的活塞，接触部分以去离子水和聚氨酯泡沫混合，其中体积比为1﹕3，满足缓冲的绝对缓冲量。
利用3D打印机，采用碳纤维与聚醚醚酮复合材料，依据三维CAD结构图，直接打印成型腔体和活塞结构件。利用聚氨酯发泡剂在腔体中发泡支撑多孔发的纳米尺寸的多孔泡沫结构，添加去离子水后制成了高缓冲结构的微纳复合液体缓冲盒装置。
将制成的缓冲盒粘结在车门的受力点外板内侧，制成了带缓冲结构的安全车门。
实施例2
4、车门内支架和新型的微纳复合液体吸能缓冲盒的一体化结构设计，如图5所示。支架的外层设计为一体结构微纳复合液体吸能缓冲盒18，支架内层为碳纤维复合材料制成的支架19。其中微纳复合液体吸能缓冲盒内部纳米多孔结构利用聚氨酯多孔纳米泡沫，液体利用去离子水。利用橡胶的密封圈，活塞采用碳纤维聚醚醚酮复合材料制成，活塞结构利用碳纤维聚醚醚酮材料制成。具体能缓冲盒参数为长为300mm，宽为20mm，高为30mm，支架的长为300mm，宽为20mm，高为20mm。
5、新型的微纳复合液体吸能缓冲盒单元结构构成的缓冲车门的制造方法。
利用软质聚氨酯多孔纳米泡沫和去离子水充满混合腔体，其中分布在缓冲腔的底部充满了多孔聚氨酯泡沫，其密度较高，填充充实，在缓冲腔的上部，即与碳纤维聚醚醚酮复合材料利用3D打印制成的活塞，接触部分以去离子水和聚氨酯泡沫混合，其中体积比为1﹕3，满足缓冲的绝对缓冲量。
利用3D打印机，采用碳纤维与聚醚醚酮复合材料，依据三维CAD结构图，直接打印成型腔体和活塞结构件。利用聚氨酯发泡剂在腔体中发泡支撑多孔发的纳米尺寸的多孔泡沫结构，添加去离子水后制成了高缓冲结构的微纳复合液体缓冲盒装置。
将制成的缓冲盒粘结在车门的受力点外板内侧，制成了带缓冲结构的安全车门。

Claims (7)

1.权利要求1，一种新型吸能结构型车门的设计与制造，其特征在于本发明所提出的吸能结构的防护门的设计装置是利用纳米多孔结构与流通材料制成固液复合结构实现对外界碰撞冲击的缓冲作用。
2.权利要求2，一种新型吸能结构型车门的设计与制造，其特征在于本发明的这种汽车车门的多孔吸能结构装置是利用增材制造的方式制成多孔纳米复合结构单元，将这些复合结构吸能缓冲单元安装在车门的相应受力集中的位置，这些位置的确定是依据车门在受外界碰撞冲击后变形的有限元分析后经过计算分析后而得到。
3.根据权利要求1所述的一种新型吸能结构型车门的设计与制造，其特征在于在微纳多孔材料中，其中气泡尺寸平局约为Φ10～Φ1000nm，其表面积/体积的约为1～1000。
4.这些气泡为冲击过程中的能量转换提供了很大的空间。
5.根据权利要求1所述的一种新型吸能结构型车门的设计与制造，其特征在于在车门的微纳复合液体缓冲结构内部为多孔气泡结构，其多孔气泡的直径平局约为Φ10～Φ1000nm，其表面积/体积的约为1～1000，其能量吸收密度在60～100J/g。
6.根据权利要求1所述的一种新型吸能结构型车门的设计与制造，其特征在于在本发明采用的发泡材料分为高聚合物泡沫材料，如EPP、EPE、EPS、EVA、发泡海绵、聚氨酯、HDPE、LDPE以及金属泡沫、泡沫铝、多孔编织复合、涤纶、硅胶、硅橡胶、硅树脂等材料。
7.根据权利要求1所述的一种新型吸能结构型车门的设计与制造，其特征在于在液体可以为去离子水、机油、纯净水等。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112874103A (zh) * 2021-02-03 2021-06-01 北京理工大学 一种面向爆炸载荷的固液气三相吸能方法及防护结构

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