CN111022538B - 多功能梯度吸能盒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多功能梯度吸能盒，包括三层环形三明治件，每两层环形三明治件之间都固设有多根支撑杆，每层环形三明治件都包括两同心布置的环形壳体，两环形壳体间形成有环形腔体；该三层环形三明治件分别为第一层环形三明治件、第二层环形三明治件和第三层环形三明治件；该第一、第二、第三环形三明治件的两环形壳体内的环形腔体分别内填充有第一、第二、第三点阵夹芯，第一点阵夹芯采用金字塔型点阵结构，第二点阵夹芯采用四边戈薇型点阵结构，第三点阵夹芯为X型点阵结构。它具有如下优点：吸能盒具有多层次、多功能高效稳定吸能效果，能更好地保障乘员生命健康，而且重量轻，具有十分重要的现实意义和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及被动防护技术领域，尤其涉及多功能梯度吸能盒。
背景技术
当今社会，汽车产业不断发展，已经成为国民经济发展的重要支柱产业之一，人均占有量也显著提高。作为公民出行的必备工具，汽车成为了必不可少的交通工具。但由于汽车数量的激增，环境与安全问题也随之出现，交通事故频发，环境不断恶化，给人类带来巨大的损失，威胁人类的生命财产安全。因此，减少安全事故和环境问题带来的损失成为当今世界的一大难题，越来越引起人们的重视。当汽车发生碰撞时，汽车前端薄壁防撞吸能盒结构通过压溃变形尽可能多的转化车辆碰撞时的动能来保护成员安全，是碰撞安全的核心。目前，应用在大多数汽车车身上的吸能盒结构仍然是普通构型管件，包括薄壁方管、薄壁圆管等。因此，设计出优异的汽车的薄壁吸能盒装置来增强汽车的耐撞性，提高汽车的碰撞安全性，能有效降低交通事故中人员死亡率。另外，困扰人们的另一大难题便是排放，汽车排放污染已经成为大气污染的主要来源之一，给人类的生存环境带来了巨大的压力，解决这一问题的主要措施之一就是汽车的轻量化。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。汽车轻量化不仅可以减少成本，还可以显著地减少排放，成为了当今世界研究的热点之一。
因此，传统薄壁的吸能盒结构已经不能满足当前汽车安全性和轻量化的要求，设计一种新型的、具有更高吸能效率的多功能轻质吸能盒结构具有十分重要的现实意义和实用价值。
发明内容
本发明提供了多功能梯度吸能盒，其克服了背景技术中传统薄壁的吸能盒结构所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
多功能梯度吸能盒，包括三层沿第一方向间隔布置的环形三明治件，每层环形三明治件的轴线重合且都沿第一方向布置；每两层环形三明治件之间都固设有多根支撑杆，多根支撑杆环形阵列布置；每层环形三明治件都包括两同心布置的环形壳体，两环形壳体间形成有环形腔体；该三层环形三明治件分别为第一层环形三明治件、第二层环形三明治件和第三层环形三明治件；该第一环形三明治件的两环形壳体内的环形腔体内填充有第一点阵夹芯，第一点阵夹芯采用金字塔型点阵结构；该第二环形三明治件的两环形壳体内的环形腔体内填充有第二点阵夹芯，第二点阵夹芯采用四边戈薇型点阵结构；该第三环形三明治件的两环形壳体内的环形腔体内填充有第三点阵夹芯，第三点阵夹芯为X型点阵结构。
一实施例之中：该第一层环形三明治件、第二层环形三明治件和第三层环形三明治件的外径依序渐大，以形成梯度结构。
一实施例之中：该第一层环形三明治件顶上和第三层环形三明治件底下都固设有法兰盘，该法兰盘上设安装孔。
一实施例之中：该第一点阵夹芯包括四根第一固杆，四根第一固杆顶端固接在一起。
一实施例之中：该第二点阵夹芯包括两组交叉杆，每组交叉杆包括中心固接在一起的两根第二固杆，两组交叉杆的中心固接在一起，且一组交叉杆件平行第一方向，另一组交叉杆件垂直第一方向。
一实施例之中：该第三点阵夹芯包括四组交叉杆，每组交叉杆包括中心固接在一起的两根第三固杆，四组交叉杆布置呈立体框结构，且每相邻两根第三固杆末端固接在一起。
一实施例之中：该第一点阵夹芯宽度和两环形壳体间距适配，该第二点阵夹芯宽度和两环形壳体间距适配，该第三点阵夹芯宽度和两环形壳体间距适配。
一实施例之中：该第一层环形三明治件的两环形壳体之间环形阵列固接有多对第一辐板，每对第一辐板间隔布置，每相邻两对第一辐板之间布满第一点阵夹芯；该第二层环形三明治件的两环形壳体之间环形阵列固接有多对第二辐板，每对第二辐板间隔布置，每相邻两对第二辐板之间布满第二点阵夹芯；该第三层环形三明治件的两环形壳体之间环形阵列固接有多对第三辐板，每对第三辐板间隔布置，每相邻两对第三辐板之间布满第三点阵夹芯。
一实施例之中：该支撑杆包括三根竖直杆和两根倾斜杆，每两根竖直杆之间固接一根倾斜杆，每根支撑杆的三根竖直杆分别固接在一对第一幅板内、一对第二幅板内和一对第三幅板内。
一实施例之中：该竖直杆内部填充有第一蜂窝结构，该倾斜杆内部填充有第二蜂窝结构。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
吸能盒具有多层次、多功能高效稳定吸能效果，能更好地保障乘员生命健康，而且重量轻，具有十分重要的现实意义和实用价值，它解决了背景技术中传统吸能盒吸能效率低、吸能不稳定、功能单一且效果差等问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是吸能盒的立体示意图。
图2是吸能盒的立体剖视图。
图3是吸能盒第一层环形三明治件的结构示意图。
图4是吸能盒第一点阵夹芯的结构示意图。
图5是吸能盒第二层环形三明治件的结构示意图。
图6是吸能盒第二点阵夹芯的结构示意图。
图7是吸能盒第三层环形三明治件的结构示意图。
图8是吸能盒第三点阵夹芯的结构示意图。
图9是吸能盒支撑杆的主视示意图。
图10是吸能盒支撑杆的立体示意图。
图11是吸能盒支撑杆的第一蜂窝结构。
图12是吸能盒支撑杆的第二蜂窝结构。
其中：101是法兰盘；102是安装孔；103是第一层环形三明治件；104是第二层环形三明治件；105是第三层环形三明治件；106是支撑杆；201是环形轻质铝合金外壳；301是第一点阵夹芯；401是第二点阵夹芯；501是第三点阵夹芯；601是竖直杆；602是倾斜杆；603是第一蜂窝结构；604是第二蜂窝结构。
具体实施方式
一种多功能梯度吸能盒，如图1和图2所示，包括三层沿第一方向间隔布置的环形三明治件103、104、105，每层环形三明治件的轴线重合且都沿第一方向布置。每两层环形三明治件之间都固设有多根支撑杆106，多根支撑杆106环形阵列布置，图中以四根为例进行说明，但根据需要也可选择三根、五个、六根或八根等。每层环形三明治件都包括两同心布置的环形壳体201，两环形壳体201间形成有环形腔体，本实施例之中，该环形壳体201如采用铝合金制成，两环形壳体201固接在一起，如通过在两环形壳体201之下周缘间固接底壁且上周缘间固接有顶壁，或，不设底壁通过辐条固接，或，既设有底壁又固接辐条。该三层环形三明治件103、104、105分别为第一层环形三明治件103、第二层环形三明治件104、第三层环形三明治件105，该第一、第二、第三层环形三明治件103、104、105的两环形壳体201内形成的环形腔体内分别填充有第一、第二、第三点阵夹芯301、401和501，该点阵夹芯沿环形腔体周向布置在两环形壳体201内。该第一、第二、第三层环形三明治件103、104、105的外径依序渐大，以形成梯度结构。
如图3和图4所示，该第一层环形三明治件103的第一点阵夹芯301采用金字塔型点阵结构，第一点阵夹芯301包括四根第一固杆3011，四根第一固杆3011顶端固接在一起，四根第一固杆3011底端固接在环形壳体之底壁，且，两根第一固杆3011底端固接在位于内侧的环形壳体，另两根第一固杆3011底端固接在外侧的环形壳体。该第一点阵夹芯301宽度和两环形壳体201间距适配。根据需要，该第一层环形三明治件103的两环形壳体201之间环形阵列固接有四对第一辐板3012(对数和支撑杆个数相等)，每对第一辐板3012间隔布置，每相邻两对第一辐板3012之间布满第一点阵夹芯301。
如图5和图6所示，该第二层环形三明治件104的第二点阵夹芯401采用四边戈薇型点阵结构，第二点阵夹芯401包括两组交叉杆，每组交叉杆包括中心固接在一起的两根第二固杆4011，两组交叉杆的中心固接在一起，且一组交叉杆件平行第一方向，另一组交叉杆件垂直第一方向。该第二点阵夹芯401宽度和两环形壳体201间距适配。根据需要，该第二层环形三明治件104的两环形壳体201之间环形阵列固接有四对第二辐板4012(对数和支撑杆个数相等)，每对第二辐板4012间隔布置，每相邻两对第二辐板4012之间布满第二点阵夹芯401。
如图7和图8所示，该第三层环形三明治件105的第三点阵夹芯501为X型点阵结构，第三点阵夹芯501包括四组交叉杆，每组交叉杆包括中心固接在一起的两根第三固杆5011，四组交叉杆布置呈立体框结构，且每相邻两根第三固杆末端固接在一起。该第三点阵夹芯501宽度和两环形壳体201间距适配。根据需要，该第三层环形三明治件105的两环形壳体201之间环形阵列固接有四对第三辐板5012(对数和支撑杆个数相等)，每对第三辐板5012间隔布置，每相邻两对第三辐板5012之间布满第三点阵夹芯501。
该第一层环形三明治件103顶之上和第三层环形三明治件105之下固设有法兰盘101，该法兰盘101上设安装孔102，通过法兰盘能将吸能盒固装在汽车上。
如图9至图12所示，该支撑杆106包括三根穿过环形三明治件竖直杆601和两根倾斜杆602，每两根竖直杆601之间固接一根倾斜杆602。该竖直杆601内部填充有第一蜂窝结构603，第一蜂窝结构603的单元采用等边六边形蜂窝结构；该倾斜杆602内部填充有第二蜂窝结构604，第二蜂窝结构604的单元包括外正六边形和内正六变形，内外正六边形的顶点处固接有固板。该竖直杆601、倾斜杆602的截面都为等腰平行梯形结构，且由铝合金材料制成。上述的三根竖直杆601分别固接在一对第一幅板内、一对第二幅板内、一对第三幅板内。
汽车发生碰撞时，防护梁受到外界剧烈冲击，发生变形，同时将冲击能传递到吸能盒，此时吸能盒开始发挥作用，与防护梁相连的第一层环形三明治件103发生塑性变形，通过内部金字塔型点阵夹芯桁架杆的屈曲变形吸收冲击能，由于四根支撑杆106同时受到冲击力作用，所以四根支撑杆106外壳及内部蜂窝发生逐级折叠变形，使得第一层环形三明治件103靠近第二层环形三明治件104，同时由于结构受压，第一层环形三明治件的边界会膨胀，导致径向范围变大，可能会使得能量传递不均匀，此时梯度设计便可以较好的消除这类影响，并且可以有效地应对不同方向的冲击能，当第二层环形三明治件104开始受到冲击时，凭借内部四边戈薇型点阵夹芯变形的稳定性，可以降低峰值冲击力，同理，第三层环形三明治件105受到冲击时，内部X型点阵夹芯桁架杆发生局部屈曲，但由于其结构强度较高，整体变形比较稳定，受到冲击时仍能保持一定的形状，使得吸能盒底部与纵梁相连处不会发生较大的失效变形，同时，X型点阵夹芯比吸能较高，平均耐撞水平较高。通过蜂窝填充支撑件106和三层环形三明治103、104、105点阵结构共同作用，使得吸能盒表现出优异地吸能特性和轻量化水平，多孔结构特性还为其功能化提供了便利，研究潜力巨大，具有十分重要的研究意义和实用价值。
三层主吸能结构均为环形点阵夹芯三明治结构(内外两层环形壳体及设于期内的点阵夹芯)，点阵夹芯为316L不锈钢通过3D打印制得，外部环状板为轻质铝合金材料，点阵材料具有出色的比强度和比刚度特性，近年来被人们广泛研究，可以广泛应用于不同工况。第一层采用金字塔型点阵结构，该结构具有出色的吸能特性，在轴向冲击下可以平稳、高效的吸收外部传来的冲击能，变形过程也较为稳定，有利于降低冲击过程中的最大峰值载荷；第二层采用四边戈薇型点阵结构，该结构在面对轴向冲击时的吸能效果较为一般，但其结构变形可以起到缓冲效果，避免因为外部冲击能过于强烈而导致吸能结构整体失效，丧失吸能能力，同时，在四边戈薇型点阵结构空隙中填充弹性泡沫，使四边戈薇型点阵结构在发生塑性变形的同时可以吸收车身的振动，使得汽车运行过程更加平稳；第三层采用X型点阵结构，该结构在受到外界冲击时强度较高，变形模式为四条边的屈曲变形，由于边界条件的作用，使得该结构整体强度较高，能量吸收效果也更为高效、稳定，作为最后一层部件，采用X型点阵结构既能满足吸能需求，又能保证吸能盒的强度和刚度要求，便于充分发挥本发明整体结构和材料的吸能特性。三层环形主吸能三明治结构中的点阵夹心皆为多孔结构，便于在其内部填充多功能用途的轻质材料，比如可以吸收振动的弹性泡沫、吸收噪音的吸音棉以及具有阻燃效果的氢氧化镁复合阻燃剂等，当吸能盒的三层点阵结构发生塑性变形时，其内部填充材料可以随之发挥作用，从而实现多功能兼具一体的效果，而且三层环形结构采用梯度设计，使得吸能过程层层递进、相辅相成，大大提高了本发明的吸能效率。支撑柱内部为蜂窝填充，均为轻质铝合金材料，其中竖直杆和倾斜杆的内部填充有不同横截面形状的蜂窝，在支撑梯度吸能盒整体构型的同时，同样具有吸能效果，竖直杆内的蜂窝主要为吸收轴向冲击，而倾斜杆内部的蜂窝则有效应对其他方向的冲击能，避免吸能盒整体出现侧偏，影响吸能效果。环形点阵夹心结构与环形外壳采用点焊连接，支撑杆采用嵌入式设计，将三层点阵三明治结构连接在一起。
本具体实施方式的吸能盒具有的优点是：
1、环形点阵结构设计，多层次高效吸能
采用三层环形点阵夹心三明治结构设计，分别为金字塔型点阵夹心、四边戈薇型点阵夹心以及X型点阵夹心，利用点阵结构高的比强度和比刚度特性，在发生剧烈碰撞，产生外部冲击能时，点阵结构中桁架杆发生屈曲变形，点阵结构整体发生塑性变形，其中金字塔型点阵夹心对于轴向冲击能具有较好的吸收效果，四边戈薇型点阵夹心则依据其体心立方结构特点，其塑性变形可以很好地起到缓冲效果，降低冲击峰值力，避免结构过早失效，X型点阵夹心综合性能较好，其变形既能有效吸收冲击能，借助边界约束还能保持结构的整体强度，便于充分发挥吸能盒各吸能部分的功能。三层结构相辅相成，共同作用，实现高效稳定吸能。
2、蜂窝填充支撑柱嵌入设计，提升结构整体稳定性
各层环形点阵三明治结构之间采用四根蜂窝填充的支撑柱连接，且支撑柱为嵌入式设计，便于拆卸，内部填充蜂窝根据柱体角度不同相应的填充不同功能的蜂窝横截面，便于吸收不同方向和角度的能量，支撑柱变形为逐级折叠模式，提高了本发明吸能过程的稳定性。
3、采用多孔结构，便于实现多功能设计
三层环形点阵结构均为多孔拓扑结构，其内部保留有大量空间，可以用于填充多功能用途的其他材料，比如可以吸收振动的弹性泡沫、吸收噪音的吸音棉以及具有阻燃效果的氢氧化镁复合阻燃剂等，从而便于实现多功能结构设计，提高发明的实用价值和现实意义。
4、轻质材料和多孔结构，便于实现轻量化目标
多采用轻质材料和多孔结构，如点阵结构、蜂窝结构和轻质铝合金材料，有利于减轻汽车整体质量，实现轻量化设计，满足轻量化要求。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (6)
1.多功能梯度吸能盒，其特征在于：包括三层沿第一方向间隔布置的环形三明治件，每层环形三明治件的轴线重合且都沿第一方向布置；每两层环形三明治件之间都固设有多根支撑杆，多根支撑杆环形阵列布置；每层环形三明治件都包括两同心布置的环形壳体，两环形壳体间形成有环形腔体；该三层环形三明治件分别为第一层环形三明治件、第二层环形三明治件和第三层环形三明治件；该第一环形三明治件的两环形壳体内的环形腔体内填充有第一点阵夹芯，第一点阵夹芯采用金字塔型点阵结构；该第二环形三明治件的两环形壳体内的环形腔体内填充有第二点阵夹芯，第二点阵夹芯采用四边戈薇型点阵结构；该第三环形三明治件的两环形壳体内的环形腔体内填充有第三点阵夹芯，第三点阵夹芯为X型点阵结构；该第一层环形三明治件、第二层环形三明治件和第三层环形三明治件的外径依序渐大，以形成梯度结构；该第一层环形三明治件的两环形壳体之间环形阵列固接有多对第一辐板，每对第一辐板间隔布置，每相邻两对第一辐板之间布满第一点阵夹芯；该第二层环形三明治件的两环形壳体之间环形阵列固接有多对第二辐板，每对第二辐板间隔布置，每相邻两对第二辐板之间布满第二点阵夹芯；该第三层环形三明治件的两环形壳体之间环形阵列固接有多对第三辐板，每对第三辐板间隔布置，每相邻两对第三辐板之间布满第三点阵夹芯；该支撑杆包括三根竖直杆和两根倾斜杆，每两根竖直杆之间固接一根倾斜杆，每根支撑杆的三根竖直杆分别固接在一对第一幅板内、一对第二幅板内和一对第三幅板内；该竖直杆内部填充有第一蜂窝结构，该倾斜杆内部填充有第二蜂窝结构。
2.根据权利要求1所述的多功能梯度吸能盒，其特征在于：该第一层环形三明治件顶上和第三层环形三明治件底下都固设有法兰盘，该法兰盘上设安装孔。
3.根据权利要求1所述的多功能梯度吸能盒，其特征在于：该第一点阵夹芯包括四根第一固杆，四根第一固杆顶端固接在一起。
4.根据权利要求1所述的多功能梯度吸能盒，其特征在于：该第二点阵夹芯包括两组交叉杆，每组交叉杆包括中心固接在一起的两根第二固杆，两组交叉杆的中心固接在一起，且一组交叉杆件平行第一方向，另一组交叉杆件垂直第一方向。
5.根据权利要求1所述的多功能梯度吸能盒，其特征在于：该第三点阵夹芯包括四组交叉杆，每组交叉杆包括中心固接在一起的两根第三固杆，四组交叉杆布置呈立体框结构，且每相邻两根第三固杆末端固接在一起。
6.根据权利要求1所述的多功能梯度吸能盒，其特征在于：该第一点阵夹芯宽度和两环形壳体间距适配，该第二点阵夹芯宽度和两环形壳体间距适配，该第三点阵夹芯宽度和两环形壳体间距适配。
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