CN111619504A - 一种汽车复合材料行人保护梁 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种汽车复合材料行人保护梁，包括一体式模压成型的保护梁本体、用于吸收保护梁所受冲击力的吸能盒以及连接吸能盒与保护梁本体之间的长方形铝片。其中，保护梁本体采用玻璃纤维复合材料制成，表面再用碳纤或芳纶纤维进行补强，用于提高保证梁的强度，两者使用胶粘方式连接；保护梁的截面形状设计为M型，内侧设置有连续的几何型加强筋；为了与吸能盒进行有效连接，保护梁两端各有一个下沉的长方体凹槽，凹槽底面通过铝片与吸能盒连接。该行人保护梁采用模压成型工艺制成，工艺简单，可实现大批量制造；采用复合材料进行设计，在保证保护梁强度的同时有效减少自重，实现了轻量化设计。

Description

一种汽车复合材料行人保护梁

技术领域

本发明涉及汽车结构件轻量化设计领域，具体涉及一种汽车复合材料行人保护梁。

背景技术

随着汽车保有量的快速增长，交通事故时有发生，行人保护梁作为汽车结构中保护行人的装置，在汽车与行人之间发生低速碰撞时，能够对行人起到缓冲保护的作用，降低对行人造成的伤害，同时也降低行人卷入车底的风险。

如今，出于能源问题和环保问题考虑，汽车行人保护梁的设计要求向轻量化方向发展已成为一个大体趋势，但是在注重轻量化设计的同时还需要使保护梁具有一定的强度。

CN201520983412.1、CN201820293854.7、CN201520444316.X、CN201520356268.9、CN201520756968.7等公开了各种汽车行人保护梁设计，设计时都各自采用不同的结构和材料，在发生低速碰撞时能够对行人起到较好的保护作用。材料上，CN201520983412.1采用了发泡聚乙烯、CN201820293854.7中使用了某种一体成型的柔性材料、CN201520756968.7使用了PP-LGF塑料，虽然都使用了轻量化材料，但不足之处在于材料强度不够，轻微事故时能吸收冲击能量自动恢复原状，但在遇上严重事故时则无法承受较大冲击，冲击力无法被很好的分散到整个车身，会导致局部变形过大，行人的生存空间较小。结构上，CN201820293854.7和CN201520756968.7公开的保护梁上沿本体长度方向设计有一排平行分布的加强筋，CN201520356268.9设计有非连续的、分布不均的加强筋，CN201520444316.X设计有截面形状为圆弧形的加强筋，此类加强筋结构的不足之处在于这些设计只对于提高保护梁的局部强度有利，但保护梁属于弯曲件，受到冲击时会产生整体变形。

基于上述问题可知，如能设计出一种重量轻、强度高且抗变形能力好的汽车行人保护梁装置将具有很好的市场应用前景。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种汽车复合材料行人保护梁，保护梁主体采用复合材料制成，与现有保护梁结构相比，在降低构件重量的同时提升了机械强度，辅以连续的几何型加强筋设计进一步提升了该保护梁结构的市场应用价值。

本发明通过以下技术方案实现：一种汽车复合材料行人保护梁，包括保护梁本体、吸能盒、底片和金属铝片，在保护梁本体的两端分别设有一个吸能盒，吸能盒一端通过金属铝片与保护梁本体连接、另一端通过底片与车架连接；保护梁本体由玻璃纤维热塑性复合材料制成；在保护梁本体的内侧沿其长度方向设有连续的几何型加强筋。

进一步地，所述几何型加强筋为连续的菱形加强筋。

进一步地，在保护梁本体的两端分别设有向内侧凹陷的下沉凹槽，在下沉凹槽的底面上与金属铝片上对应设有螺栓孔，下沉凹槽与铝片间通过螺栓辅以胶粘的方式连接。

进一步地，制备保护梁本体时，在玻璃纤维热塑性复合材料表面覆盖热固性碳纤维复合材料补强片，玻璃纤维与碳纤维材料之间采用胶粘的方式进行连接，碳纤维补强片区采用了多层碳纤维铺层的结构。

进一步地，在玻璃纤维热塑性复合材料表面共覆盖五层碳纤维材料，且以[90°,90°,0°,90°,90°]方式进行碳纤维铺层。

进一步地，所述保护梁本体采用模压成型工艺制成。

进一步地，在保护梁本体的上下两侧分别设计有的外缘突出结构。

本发明的有益效果是：

1.本发明公开的汽车行人保护梁的整体结构简单，主体采用玻璃纤维热塑性复合材料制成，表面再用碳纤或芳纶纤维进行补强，与现有的金属材料保护梁相比，可显著提高保护梁本体的强度，减小保护梁受载时的变形，且经过计算，以该材料制备的保护梁的减重效果明显，符合当前汽车轻量化发展的大趋势；

2. 本次发明提出的行人保护梁在结构上使用连续的菱形加强筋结构，在保证强度要求的同时可以有效抑制模压成型后残余热应力带来的扭转变形，对保护梁的刚度提升效果明显；

3.保护梁本体采用模压成型工艺制成，工艺简单，制备成本低，可实现大批量制造；

4.本次发明提供的复合材料行人保护梁，从可持续发展的角度来看，复合材料在各类汽车车身结构件上的应用前景更广，性能更先进，相对于普通金属材料和塑料而言，具有更高的工程应用价值和可持续发展性。

附图说明

图1是现有的金属材料行人保护梁的结构示意图；

图2是本发明提出的汽车行人保护梁的结构示意图；

图3是图2所示汽车行人保护梁的后视示意图；

图4是汽车行人保护梁使用连续的十字型加强筋设计的结构示意图；

图5是汽车行人保护梁内侧使用连续的菱形加强筋的局部放大图；

图6是本发明公开的保护梁本体所用的CFRP+GFRTP材料的构成图；

图7是本发明公开的保护梁本体可用的AFRP+GFRTP材料的构成图；

图8是复合材料行人保护梁表面补强的碳纤维铺层方式列举示意图，图中（a）为[90°,90°,0°,90°,90°]铺层、（b）为[0°,90°,0°,90°,0°]铺层、（c）为[0°,90°,0°,0°,90°,0°]铺层。

其中，1-保护梁本体，2-吸能盒，3-底片，4-金属铝片，5-菱形加强筋，6-十字型加强筋，7-下沉凹槽，8-螺栓孔，9-GFRTP，10-CFRP，11-AFRP，12-外缘突出。

具体实施方式

下面结合附图1-8对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

为了能在实现轻量化的同时保证汽车行人保护梁的结构强度，提高使用时的安全防护系数，本实施方式中公开一种汽车复合材料行人保护梁结构，包括保护梁本体1、吸能盒2、底片3和金属铝片4，保护梁本体1一体式模压成型，保护梁本体1的主体形状与现有的保护梁相似以便适用于原有车型上的安装位置和安装要求，在保护梁本体1的内侧两端分别设有一个用于吸收保护梁所受冲击力的吸能盒2，吸能盒2的一端通过金属铝片4与保护梁本体1连接、另一端通过底片3与车架连接；保护梁本体1主要由玻璃纤维热塑性复合材料制成；保护梁本体1的截面形状为M型，该形状设计可有效提高保护梁整体的刚度。

为了进一步保证自身强度，在保护梁本体1的内侧沿其长度方向设有连续的几何加强筋，例如连续的菱形加强筋5或连续的十字形加强筋6等。如图3、4所示，其中，图3展示了连续的菱形加强筋5结构，图4展示了连续的十字型加强筋6结构，加强筋的疏密程度、厚度和高度等因素也会影响保护梁本身的强度，在设计时可以综合考虑重量、成本、工艺等要求决定。考虑到本实施例中行人保护梁采用模压成型工艺制备，在加热冷却时的残余热应力会使薄片状长臂型物体发生扭转变形，而菱形加强筋5有助于抑制这种变形的发生，因此本次设计考虑采用连续的菱形加强筋5设计。图5为连续的菱形加强筋5的局部放大图，其中加强筋和保护梁外壁之间的夹角为30°到90°，该角度可根据保护梁强度要求而改变，加强筋的厚度设计为1.8 mm，高度约为13 mm。

考虑到如何能更加方便地对保护梁本体1与后方吸能盒2进行连接，在保护梁本体1的两端分别设有向内侧凹陷的下沉凹槽7，在下沉凹槽7的底面上与金属铝片4上对应设有螺栓孔8，又因为是复合材料件与金属材料件之间的连接，本次设计采用“螺栓+胶粘”的复合连接方式连接下沉凹槽7和金属铝片4，这样做不仅能保证连接强度，还能防止金属件与复合材料件之间产生电化学腐蚀。金属铝片4与吸能盒2间采用焊接方式连接，吸能盒2为铝合金中空结构。

为减小受载时下沉凹槽7处的变形，可以单独增加下沉凹槽7的厚度为2.5 mm。

保护梁本体1中间部分的下底面相较于原模型，向上抬升了大约15 mm，这样做既能减少质量，还能为两端的下沉凹槽7和加强筋节省空间。

为了更好地实现轻量化设计和控制成本等要求，可以考虑将保护梁本体1的厚度减少，然后在表面加一层新的复合材料补强，如图6和7所示。

具体地，如图6所示，在制备保护梁本体时，可在短切玻璃纤维热塑性复合材料表面覆盖热固性碳纤维复合材料（GFRTP+CFRP）补强，CFRP中增强材料选择T700型碳纤维，基体材料为热固性环氧树脂；GFRTP中的增强材料为硅酸盐玻璃纤维，基体材料为热塑性聚丙烯（PP）。

图7为短切玻纤热塑性复合材料加芳纶纤维复合材料（GFRTP+AFRP）补强，其中，AFRP选择芳纶1313材料，纤维采用二维机编织物结构。

出于仿真计算、成本等因素考虑，本实施例中，保护梁主体1选择使用GFRTP+CFRP补强，具体来讲，保护梁主要采用玻璃纤维热塑性复合材料（GFRTP）制成，但由于玻纤材料的弹性模量较小，受力时变形较大，因此为了减小保护梁受载时的变形、提高强度，考虑在玻纤保护梁表面覆盖热固性碳纤维复合材料（CFRP）补强片（如图6所示）。碳纤和玻纤之间用胶粘的方式进行连接。

在碳纤维铺层方式上：目前最常用的铺设角度一般为0°，45°，90°，135°四种，考虑到保护梁主要受到来自前向的冲击，故铺设角度主要选择0°或90°方向，这两种铺层角度不仅能够更好地承受前向冲击，还能够减少铺层难度和铺层时的材料浪费；另外，考虑到铺层的对称性，为了减少铺层固化过程中的变形，整体铺层顺序应该是对称的；考虑到最大连续铺层数影响，推荐铺层中间同一铺层角度的最大连续铺层数小于4，且连续同角度铺层厚度应小于1 mm。根据上述铺层方式要求以及软件模拟结果，如图7所示，可以提出几种五层或六层铺层方式，例如[90°,90°,0°,90°,90°] 、[0°,90°,0°,90°,0°]、[0°,90°,0°,0°,90°,0°]等（保护梁本体长度方向为0度）。根据仿真计算以及成本等考虑，本次发明可以选择[90°,90°,0°,90°,90°]方式进行碳纤维铺层,如图8(a)所示。

玻璃纤维热塑性复合材料的厚度为0.9 mm，碳纤维铺层的每层厚度为0.15mm，五层共铺得总厚度0.75 mm，各碳纤维层之间由环氧树脂材料连接，在高温高压条件下热固成型，因而保护梁本体的总体厚度约为1.65 mm，其中两端的下沉凹槽7处不用碳纤维补强。

为了保证模压成型时的出模效果，为加强筋和下沉凹槽7设计拔模斜度为2，其他地方的拔模斜度设置为3。如图2所示，为了使保护梁本体1在成型后便于切割，两侧分别设计有10 mm的外缘突出12。此外，保护梁上表面倒半径3 mm的圆角，其余内侧折弯处、下沉凹槽7与保护梁本体1连接处以及加强筋与保护梁本体1连接等地方全部倒半径1 mm的圆角。

经过测算，本实施方式中公开的保护梁本体质量约为0.335 kg，相较于原有的铝合金材料保护梁，在保证相同受载情况下变形量基本一致时，新型保护梁减重效果可以达到10％左右，减重较明显。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种汽车复合材料行人保护梁，其特征在于，包括保护梁本体、吸能盒、底片和金属铝片，在保护梁本体的两端分别设有一个吸能盒，吸能盒一端通过金属铝片与保护梁本体连接、另一端通过底片与车架连接；保护梁本体由玻璃纤维热塑性复合材料制成；在保护梁本体的内侧沿其长度方向设有连续的几何型加强筋。

2.如权利要求1所述的一种汽车复合材料行人保护梁，其特征在于，所述几何型加强筋为连续的菱形加强筋。

3.如权利要求1所述的一种汽车复合材料行人保护梁，其特征在于，在保护梁本体的两端分别设有向内侧凹陷的下沉凹槽，在下沉凹槽的底面上与金属铝片上对应设有螺栓孔，下沉凹槽与金属铝片间通过螺栓辅以胶粘的方式连接。

4.如权利要求1所述的一种汽车复合材料行人保护梁，其特征在于，制备保护梁本体时，在玻璃纤维热塑性复合材料表面覆盖热固性碳纤维复合材料补强片，玻璃纤维与碳纤维材料之间采用胶粘的方式进行连接，碳纤维补强片区采用了多层碳纤维铺层的结构。

5.如权利要求4所述的一种汽车复合材料行人保护梁，其特征在于，在玻璃纤维热塑性复合材料表面共覆盖五层碳纤维材料，且以[90°,90°,0°,90°,90°]方式进行碳纤维铺层。

6.如权利要求1所述的一种汽车复合材料行人保护梁，其特征在于，所述保护梁本体采用模压成型工艺制成。

7.如权利要求1所述的一种汽车复合材料行人保护梁，其特征在于，在保护梁本体的上下两侧分别设计有的外缘突出结构。

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