CN112224163A - 一种具有冲击角度适应性的仿生复合吸能结构 - Google Patents
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Abstract
一种具有冲击角度适应性的仿生复合吸能结构，包括沿X向和Y向依次排列的微元胞吸能体，微元胞吸能体包括第一正六棱柱吸能体、第二正六棱柱吸能体、V型连接臂；第二正六棱柱吸能体设置在第一正六棱柱吸能体内部，第二正六棱柱吸能体相对的两个侧棱与第一正六棱柱吸能体相对的两个侧棱在同一直线上；12个所述的V型连接臂中每两个V型连接臂为一组，每两个V型连接臂的一端对接后固定在第二正六棱柱吸能体的侧棱上，两个V型连接臂的另一端分别固定在第一正六棱柱吸能体的两个侧面，形成6个正六棱柱反阻吸能单元，相邻两个正六棱柱反阻吸能单元之间有两侧内凹的六边形负泊松比吸能单元。该结构在轴向与大角度碰撞工况下均具有优异的吸能性。
Description
技术领域
本发明属于汽车用吸能结构技术领域，具体涉及一种具有冲击角度适应性的仿生复合吸能结构。
背景技术
随着汽车保有量的增加，汽车碰撞事故发生的概率会有所增加。为了降低事故的发生，一般会采用主动安全与被动安全手段。主动安全即通过智能辅助驾驶策略去预判碰撞的发生，从而及时调整汽车的运动状态。然而，主动安全技术受硬件、算法鲁棒性、驾驶环境等多方面因素的影响，所以被动安全仍是保护驾驶员安全的重要防线，即通过设计合理的汽车结构，去降低对车辆和驾驶员的伤害。
目前，针对于防撞结构的设计，主要分为结构优化、材料替换以及缓冲结构的填充。由于缓冲结构的填充不影响原有设计并且设计改善空间很大，很多学者就此展开了大量研究，这其中传统的六边形蜂窝结构应用最为广泛。例如中国专利CN 211138428 U提出了“一种蜂窝填充的汽车顶盖”，增强了汽车顶棚的吸能效果。进一步地，中国专利CNIO5398099A提出了“一种梯度蜂窝结构”，其填充于发动机罩、车门等大型车身覆盖件内部，增加吸能性。还有一些专利提出了一系列负泊松比结构，例如中国专利CN 111301525 A提出了“一种负泊松比蜂窝材料填充的汽车前纵梁”，利用结构的负泊松比特性进一步提高部件的耐撞性。但是上述专利有两点没有考虑到：其一，应用工况考虑的相对简单，在实际的交通事故中，两车正面相撞的概率是最高的，而且时常伴有冲击倾角。其二，所提出的负泊松比结构虽然很好的解决了轴向的吸能性，但是其各向异性非常明显，当受到具有冲击角度的冲击时，其负泊松比特性将大大减弱。因此，提高冲击角度适应性的结构是当前急需解决的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有冲击角度适应性的仿生复合吸能结构，以解决现有吸能结构各向异性明显，无法同时兼顾轴向与大角度冲击的吸能性的技术难题。
为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种具有冲击角度适应性的仿生复合吸能结构，包括多个微元胞吸能体，所述微元胞吸能体沿X向和Y向依次排列；所做的改进是，所述微元胞吸能体包括内部中空且端面为正六边形的第一正六棱柱吸能体、内部中空且端面为正六边形的第二正六棱柱吸能体、12个V型连接臂；其中，所述第二正六棱柱吸能体设置在第一正六棱柱吸能体内部，且第二正六棱柱吸能体相对的两个侧棱与第一正六棱柱吸能体相对的两个侧棱在同一直线上；所述第二正六棱柱吸能体端面的正六边形的边长为L，所述第一正六棱柱吸能体端面的正六边形的边长为2L；12个所述的V型连接臂中每两个V型连接臂为一组，6组V型连接臂均设置在第一正六棱柱吸能体与第二正六棱柱吸能体之间，且分别靠近第一正六棱柱吸能体与第二正六棱柱吸能体的六个侧棱设置，每两个V型连接臂的一端对接后固定在第二正六棱柱吸能体的侧棱上，两个V型连接臂的另一端分别固定在第一正六棱柱吸能体的两个侧面上，使第二正六棱柱吸能体与第一正六棱柱吸能体的六个顶点处分别形成6个内部中空且端面为正六边形的正六棱柱反阻吸能单元，所述正六棱柱反阻吸能单元端面的正六边形的边长为L/2，相邻两个正六棱柱反阻吸能单元之间形成有两侧内凹的六边形负泊松比吸能单元。
作为本发明的优选，第一正六棱柱吸能体、第二正六棱柱吸能体、V型连接臂为一体式结构。
作为本发明的优选，该仿生复合吸能结构为3D打印的一体式结构。
与现有技术相比本发明的优点和有益效果是：
(1)本发明通过将正六边形蜂窝结构进行合理排布使用后，设计了一种适应于角度冲击的仿生复合吸能结构，该吸能结构在轴向与角度冲击下均能发挥很好的耐撞性，从而很好地解决汽车实际碰撞过程中的非理想工况下的吸能问题。
(2)本发明提供的仿生复合吸能结构将正泊松比与负泊松比特性相结合，传统的蜂窝结构相比于负泊松比结构，各向异性不明显，因此适合于斜向冲击，将其作为外轮廓保留其整体特征；同时，正六边形结构合理排布后，在相邻两个正六棱柱反阻吸能单元之间会形成有两侧内凹的六边形负泊松比吸能单元，负泊松比结构环绕在第二正六棱柱吸能体四周，可以很好的利用其压缩收缩特性，对角度冲击下的抗承载能力进行加强。
(3)本发明提供的仿生复合吸能结构基于仿生的自相似结构，在中央与外轮廓布置正六边形蜂窝结构，同时在六个顶点处分别布置小的正六边形蜂窝结构，使其无论在轴向冲击还是角度冲击下，都能产生与外轮廓单胞结构变形相互阻碍的耦合作用，进而提升抗承载能力，提高吸能性。
(4)本发明新设计的仿生复合吸能结构相比于传统蜂窝结构，不仅在吸能性与平均压溃力上得到了很大提升，同时考虑了轻量化的设计思想，将质量也纳入评价指标，仿生复合结构的比吸能性依然优于传统蜂窝结构。
附图说明
图1是仿生复合吸能结构的整体结构示意图；
图2是仿生复合吸能结构的主视图；
图3是3×5仿生复合吸能结构的整体结构示意图；
图4是3×5仿生复合吸能结构的主视图；
图5是微元胞吸能体的示意图；
图6是实际角度冲击工况示意图；
图7是轴向冲击时复合结构与传统蜂窝结构的力随位移变化曲线图；
图8是轴向冲击位移为0mm时仿生复合吸能结构与传统蜂窝结构变形对比图；
图9是轴向冲击位移为500mm时仿生复合吸能结构与传统蜂窝结构变形对比图；
图10是轴向冲击位移为700mm时仿生复合吸能结构与传统蜂窝结构变形对比图；
图11是正六棱柱反阻吸能单元在轴向冲击下带来的耦合作用示意图；
图12是30度冲击时仿生复合结构与传统蜂窝结构的力随位移变化曲线图；
图13是30度冲击位移为200mm时仿生复合吸能结构与传统蜂窝结构变形对比图；
图14是30度冲击位移为500mm时仿生复合吸能结构与传统蜂窝结构变形对比图；
图15是正六棱柱反阻吸能单元在角度冲击下带来的耦合作用示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图对本申请进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。
参阅图1至图5，本发明提供的一种具有冲击角度适应性的仿生复合吸能结构，包括多个微元胞吸能体A，所述微元胞吸能体A沿X向和Y向依次排列；所述微元胞吸能体A包括内部中空且端面为正六边形的第一正六棱柱吸能体1、内部中空且端面为正六边形的第二正六棱柱吸能体2、12个V型连接臂3；其中，所述第二正六棱柱吸能体2设置在第一正六棱柱吸能体1内部，且第二正六棱柱吸能体2相对的两个侧棱与第一正六棱柱吸能体1相对的两个侧棱在同一直线上；所述第二正六棱柱吸能体端面的正六边形的边长为L，所述第一正六棱柱吸能体端面的正六边形的边长为2L；12个所述的V型连接臂3中每两个V型连接臂3为一组，6组V型连接臂均设置在第一正六棱柱吸能体1与第二正六棱柱吸能体2之间，且分别靠近第一正六棱柱吸能体1与第二正六棱柱吸能体2的六个侧棱设置，每两个V型连接臂3的一端对接后固定在第二正六棱柱吸能体2的侧棱21上，两个V型连接臂3的另一端分别固定在第一正六棱柱吸能体1的两个侧面11上，使第二正六棱柱吸能体2与第一正六棱柱吸能体1的六个顶点处分别形成6个内部中空且端面为正六边形的正六棱柱反阻吸能单元4，所述正六棱柱反阻吸能单元4端面的正六边形的边长为L/2，相邻两个正六棱柱反阻吸能单元4之间形成有两侧内凹的六边形负泊松比吸能单元5；所述第一正六棱柱吸能体1、第二正六棱柱吸能体2、V型连接臂为3D打印的一体式结构，整个仿生复合吸能结构同样为3D打印的一体式结构。
本发明仿生复合吸能结构效果证明
实验方法：
参照C-NCAP标准，分别对传统蜂窝结构与仿生复合结构进行轴向冲击、大角度30度冲击(见图6)；其中，仿生复合结构的第一正六棱柱吸能体1端面的正六边形的边长2L＝48mm，壁厚t＝1mm，Y向为12层，X向15层，质量为2.759kg；传统蜂窝结构端部正六边形的边长为48mm，壁厚t＝1mm，Y向12层，X向15层，质量为0.7413kg。
实验结果：见图7至图15。
如图7所示，对传统蜂窝结构与仿生复合结构进行轴向冲击时的力随位移变化曲线进行对比，发现复合结构的耐撞性能明显好于传统结构。当结构压实后，变形空间几乎为零，反力会急剧上升，意味着吸能过程结束，因此可以得到传统蜂窝结构与仿生复合结构最终时刻的压缩位移d分别为904.99mm、711.05mm，通过对曲线包围面积对总吸能量进行计算(计算公式：
其中仿生复合结构的吸能量为5119.4J，传统蜂窝结构为860.6J，由于仿生复合结构引入了自相似蜂窝结构，质量会有所增加，因此考虑质量因素，对比吸能值进行对比(比吸能＝吸能量/质量)，由于传统结构质量为0.7413kg，仿生复合结构质量为2.759kg，因此计算得到：仿生复合结构的比吸能为1855.5J/kg，传统结构的比吸能为1160.9J/kg，可见仿生复合结构的性能依旧很高；同时，计算平均压溃力(平均压溃力＝吸能量/压溃位移)，可得：传统蜂窝结构的平均压溃力为0.95kN，仿生复合结构的平均压溃力为7.2kN，耐撞性提高了将近8倍。而且，通过观察不同位移下的变形可以发现，仿生复合结构在同一压溃位移下的变形明显增多，这导致了吸能能力的增强(如图8-10所示)；而且六个顶点的小蜂窝结构(正六棱柱反阻吸能单元4)对外轮廓的蜂窝结构(第一正六棱柱吸能体1)的变形起到了反阻碍作用(如图11所示)，从而产生结构间的耦合效应，这导致了平均压溃力的增强，进而也导致了吸能量的增强。
如图12所示，对传统蜂窝结构与仿生复合结构在大角度30度冲击下的力随位移变化曲线进行对比，发现在大角度冲击下，仿生复合结构的耐撞性依旧很好。传统蜂窝结构与仿生复合结构最终时刻的压缩位移分别为734.35mm、663.34mm。通过对总吸能量的计算可以得到，仿生复合结构的吸能量为3225.7J，传统蜂窝结构为511.9J，考虑质量影响，计算比吸能值分别为：仿生复合结构的比吸能为1169.15J/kg，传统蜂窝结构的比吸能为690.54J/kg。进一步计算平均压溃力衡量抗撞性，传统蜂窝结构的平均压溃力为0.69kN，仿生复合结构的平均压溃力为4.86kN，相差将近7倍。通过对变形模式的观察(如图13、图14所示)，我们可以看到内部的增强机理，其一：在角度冲击下，局部的负泊松比结构(负泊松比吸能单元5)产生作用，使得受冲击部位的压缩收缩特性更加明显，从而带来较强的抗承载能力。其二：同一压溃位移下，变形带明显增多，从而导致由于变形产生的吸能量增多。其三：耦合作用，如图15所示，原理与图11相同，内部的小蜂窝结构对整体蜂窝结构的内凹变形产生了相互阻碍的作用，从而提高了承载反力，导致平均压溃力大大增强，进而导致吸能量的增强。
Claims (3)
1.一种具有冲击角度适应性的仿生复合吸能结构，包括多个微元胞吸能体，所述微元胞吸能体沿X向和Y向依次排列；其特征在于，所述微元胞吸能体包括内部中空且端面为正六边形的第一正六棱柱吸能体、内部中空且端面为正六边形的第二正六棱柱吸能体、12个V型连接臂；其中，所述第二正六棱柱吸能体设置在第一正六棱柱吸能体内部，且第二正六棱柱吸能体相对的两个侧棱与第一正六棱柱吸能体相对的两个侧棱在同一直线上；所述第二正六棱柱吸能体端面的正六边形的边长为L，所述第一正六棱柱吸能体端面的正六边形的边长为2L；12个所述的V型连接臂中每两个V型连接臂为一组，6组V型连接臂均设置在第一正六棱柱吸能体与第二正六棱柱吸能体之间，且分别靠近第一正六棱柱吸能体与第二正六棱柱吸能体的六个侧棱设置，每两个V型连接臂的一端对接后固定在第二正六棱柱吸能体的侧棱上，两个V型连接臂的另一端分别固定在第一正六棱柱吸能体的两个侧面上，使第二正六棱柱吸能体与第一正六棱柱吸能体的六个顶点处分别形成6个内部中空且端面为正六边形的正六棱柱反阻吸能单元，所述正六棱柱反阻吸能单元端面的正六边形的边长为L/2，相邻两个正六棱柱反阻吸能单元之间形成有两侧内凹的六边形负泊松比吸能单元。
2.根据权利要求1所述的一种具有冲击角度适应性的仿生复合吸能结构，其特征在于，第一正六棱柱吸能体、第二正六棱柱吸能体、V型连接臂为一体式结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有冲击角度适应性的仿生复合吸能结构，其特征在于，该仿生复合吸能结构为3D打印的一体式结构。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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