CN113183564B - 复合吸能层、夹层结构及制备方法 - Google Patents

复合吸能层、夹层结构及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及吸能材料技术领域，公开了一种复合吸能层、夹层结构及制备方法，复合吸能层包括从上至下依次设置的多层吸能芯层；各吸能芯层均包括多个隔离布置的吸能腔体，位于各吸能芯层中部的多个所述吸能腔体均密封布置，位于各所述吸能芯层边缘的多个所述吸能腔体均具有开口；设各所述吸能腔体的上部的夹角为第一二面角，多层所述吸能芯层的第一二面角由上至下依次减小；由于各吸能芯层的第一二面角由上至下依次减小，复合吸能层在受到较大碰撞力时的破坏是具有梯度的，在受到破坏时能够吸收更多能量；复合吸能层采用3D打印一次成型，结构紧凑且保证了吸能效果。

Description

复合吸能层、夹层结构及制备方法
技术领域
本发明涉及吸能材料技术领域，特别是涉及一种复合吸能层、夹层结构及制备方法。
背景技术
目前，机动车的数量越来越多，发生车辆碰撞事故的机率不断增加，人们对车辆的安全防护性能越来越重视。位于车辆前端的缓冲吸能结构对车辆安全性能测试结果影响很大，因此，具有优异抗冲击性能的吸能材料一直都是研究重点。
薄壁结构不仅能够高效吸能，而且质量较轻，能够在提高车辆碰撞性能的同时提高车辆的燃油经济性，因此，薄壁结构被广泛应用于交通工具的碰撞系统中。然而，现有的薄壁结构多是均匀结构，将薄壁结构的最佳承力面设计为正对碰撞力的方向，现有的薄壁结构虽然可以在冲击荷载的作用下表现出较好的吸能效果，但是如果荷载较大，达到薄壁结构的承载能量极限时，均匀薄壁结构会随机地在任一截面位置发生破坏，在某一截面发生破坏后，未被破坏部分的薄壁结构的最佳承力面与力的作用方向之间的夹具会发生改变，导致薄壁结构最佳承力面无法正对力的作用方向，因此，在某一截面被破坏后，薄壁结构的整体抗压强度会迅速降低，导致吸能效果大大下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的薄壁结构采用均匀结构，在某一截面受到碰撞破坏后，薄壁结构的整体抗压强度迅速下降，导致吸能效果不佳。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复合吸能层，包括从上至下依次设置的多层吸能芯层；
各所述吸能芯层均包括多个隔离布置的吸能腔体，位于各所述吸能芯层中部的多个所述吸能腔体均密封布置，位于各所述吸能芯层边缘的多个所述吸能腔体均具有开口；
设各所述吸能腔体的上部的夹角为第一二面角，多层所述吸能芯层的第一二面角由上至下依次减小。
作为优选方案，各所述吸能腔体均为卧式四棱柱状；
所述卧式四棱柱状吸能腔体的四个侧面依次为第一面板、第二面板、第三面板和第四面板，所述第一面板和所述第二面板位于上部，所述第三面板和所述第四面板位于下部，所述第一面板和所述第二面板之间的夹角为所述第一二面角。
作为优选方案，设位于中部的吸能腔体为第一吸能腔体，与所述第一吸能腔体相邻且位于所述第一吸能腔体左上方的吸能腔体为第二吸能腔体，与所述第一吸能腔体相邻且位于所述第一吸能腔体右上方的吸能腔体为第三吸能腔体，与所述第一吸能腔体相邻且位于所述第一吸能腔体右下方的吸能腔体为第四吸能腔体，与所述第一吸能腔体相邻且位于所述第一吸能腔体左下方的吸能腔体为第五吸能腔体；
所述第一吸能腔体的第一面板与所述第二吸能腔体的第三面板重合设置，所述第一吸能腔体的第二面板与所述第三吸能腔体的第四面板重合设置，所述第一吸能腔体的第三面板与所述第四吸能腔体的第一面板重合设置，所述第一吸能腔体的第四面板与所述第五吸能腔体的第二面板重合设置。
作为优选方案，设最下层的吸能芯层的相邻吸能腔体分别为左吸能腔体和右吸能腔体，所述左吸能腔体的第三面板与所述右吸能腔体的第四面板之间的夹角为第二二面角，所述第二二面角小于所述最下层的吸能芯层的第一二面角。
作为优选方案，所述吸能芯层为三层，所述第一吸能芯层的第一二面角小于等于97°且大于等于93°，所述第二吸能芯层的第一二面角小于等于84°且大于等于80°，所述第三吸能芯层的第一二面角小于等于72°且大于等于68°，所述第二二面角小于等于60°且大于等于56°。
作为优选方案，所述第一吸能芯层的第一二面角为95°，所述第二吸能芯层的第一二面角为82°，所述第三吸能芯层的第一二面角为70°，所述第二二面角为58°
一种包含上述的复合吸能层的夹层结构，所述复合吸能层的上部粘贴固定有上板，所述复合吸能层的下部粘贴固定有下板。
作为优选方案，所述上板和所述下板均为铝合金板。
一种上述的夹层结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，构建所述复合吸能层的三维数字模型；
步骤S2，根据所述复合吸能层的三维数字模型，3D打印出复合吸能层；
步骤S3，在所述复合吸能层的上部粘贴上板，在所述复合吸能层的下部粘贴下板。
作为优选方案，所述上板和所述下板均为铝合金板；所述复合吸能层的原材料为尼龙粉末颗粒，3D打印时的结晶温度为146℃、芯层密度为1010kg/m3。。
作为优选方案，在所述步骤S3之后对所述夹层结构进行抗冲击试验。
本发明实施例一种复合吸能层、夹层结构及制备方法，与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明的复合吸能层包括从上至下依次设置的多层吸能芯层；各吸能芯层均包括多个隔离布置的吸能腔体，位于各吸能芯层中部的多个所述吸能腔体均密封布置，位于各所述吸能芯层边缘的多个所述吸能腔体均具有开口；设各所述吸能腔体的上部的夹角为第一二面角，多层所述吸能芯层的第一二面角由上至下依次减小。由于各吸能芯层的第一二面角由上至下依次减小，当碰撞力沿垂直于吸能芯层的方向作用于本发明的复合吸能层时，二面角最大的第一吸能芯层首先发生破坏，其次是第二吸能芯层，直至最后一层吸能芯层，而且，随着被破坏吸能芯层的增加，第一二面角减小，吸能芯层所产生的缓冲力逐渐增大，因此，本实施例的复合吸能层在受到较大碰撞力时的破坏是具有梯度的，在受到破坏时能够吸收更多能量，吸能效果更好。
附图说明
图1是本发明实施例复合吸能层的结构示意图；
图2是本发明实施例复合吸能层的第一吸能芯层的吸能腔体结构示意图；
图3是本发明实施例复合吸能层的第一吸能芯层的吸能腔体上部面板的结构示意图；
图4是本发明实施例夹层结构的结构示意图；
图5是本发明实施例夹层结构制备方法中对夹层结构进行抗冲击试验的结果。
图中，1、第一吸能芯层；11a、前吸能腔体；11b、后吸能腔体；111、第一吸能芯层的第一面板；111a、前吸能腔体的第一面板；111b、后吸能腔体的第一面板；112、第一吸能芯层的第二面板；112a、前吸能腔体的第二面板；112b、后吸能腔体的第二面板；113、第一吸能芯层的第三面板；114、第一吸能芯层的第四面板；115、第一吸能芯层的第一二面角；2、第二吸能芯层；215、第二吸能芯层的第一二面角；3、第三吸能芯层；315、第三吸能芯层的第一二面角；36、第三吸能芯层的第二二面角；a、第一吸能腔体；b、第二吸能腔体；c、第三吸能腔体；d、第四吸能腔体；e、第五吸能腔体；f、左吸能腔体；g、右吸能腔体；200、上板；300、下板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，应当理解的是，术语“上”、“下”、 “左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
本发明实施例优选实施例的一种复合吸能层，包括从上至下依次设置的多层吸能芯层；各吸能芯层均包括多个隔离布置的吸能腔体，位于各吸能芯层中部的多个吸能腔体均密封布置，位于各吸能芯层边缘的多个吸能腔体均具有开口；设各吸能腔体的上部的夹角为第一二面角，多层吸能芯层的第一二面角由上至下依次减小。
其中，吸能芯层的层数和吸能芯层的厚度根据使用时的强度需求合理选用，如图1所示，以设置三层吸能芯层为例对本发明的复合吸能芯层进行说明，第一吸能芯层1包括多个吸能腔体，吸能腔体的中部为空心结构，吸能腔体的上部夹角为第一吸能芯层的第一二面角115，第二吸能芯层2的吸能腔体的上部夹角为第二吸能芯层的第一二面角215，第三吸能芯层的吸能腔体的上部夹角为第三吸能芯层的第一二面角315，第二吸能芯层的第一二面角215小于第一吸能芯层的第一二面角115，第三吸能芯层的第一二面角315小于第二吸能芯层的第一二面角215。
当碰撞力沿垂直于吸能芯层的方向作用于本实施例的复合吸能层时，第一二面角最大的第一吸能芯层首先发生破坏，其次是第二吸能芯层，直至最后一层吸能芯层，而且，随着被破坏吸能芯层的增加，吸能芯层所产生的缓冲力逐渐增大，因此，本实施例的复合吸能层结构紧凑，在受到较大碰撞力时的破坏是具有梯度的，在受到破坏时能够吸收更多能量，吸能效果更好。
优选的，为保证吸能芯层在具有足够的压缩空间同时具有较高的压缩强度，第一吸能芯层的第一二面角15小于等于100°且大于等于90°，最下端吸能芯层的第一二面角大于等于50°。
其中，各吸能芯层的吸能腔体均为卧式四棱柱状；卧式四棱柱状吸能腔体的四个侧面依次为第一面板、第二面板、第三面板和第四面板，第一面板和第二面板位于上部，第三面板和第四面板位于下部，第一面板和第二面板之间的夹角为第一二面角。
如图1所示，以第一吸能芯层的吸能腔体为例对吸能腔体的结构进行说明，第一吸能芯层的吸能腔体为卧式放置的四棱柱状，四棱柱状吸能腔体的四个侧面依次为第一吸能芯层的第一面板111、第一吸能芯层的第二面板112、第一吸能芯层的第三面板113和第一吸能芯层的第四面板114，其中，第一吸能芯层的第一面板111和第一吸能芯层的第二面板112位于四棱柱的上部，第一吸能芯层的第一面板111和第一吸能芯层的第二面板112之间的夹具为第一吸能芯层的第一二面角115。
进一步的，本实施例中，如图2、图3所示，第一吸能腔体包括前吸能腔体11a和后吸能腔体11b,前吸能腔体11a和后吸能腔体11b均为四棱柱状，前吸能腔体11a的侧棱沿前后方向倾斜设置，后吸能腔体11b的各个侧棱分别与对应的前吸能腔体11a的各个侧棱前后相对布置，而且，前吸能腔体的第一面板111a的后端与后吸能腔体的第一面板111b的前端密封连接、前吸能腔体的第二面板112a的后端与后吸能腔体的第二面板112b的前端密封连接、前吸能腔体的第三面板的后端与后吸能腔体的第三面板的前端密封连接、前吸能腔体的第四面板的后端与后吸能腔体的第四面板的前端密封连接；优选的，前吸能腔体11a和后吸能腔体11b前后对称布置；进一步的，前吸能腔体的第一面板111a与后吸能腔体的第一面板111b之间的二面角为90°，前吸能腔体的第四面板与后吸能腔体的第四面板之间的二面角为90°。
前吸能腔体11a和后吸能腔体11b呈一定倾角布置，呈一定倾角布置的吸能腔体的各个面板交错布置，能够提高吸能芯层在承受不同方向作用力时的稳定性，进一步提高吸能芯层的吸能效果。
本实施例中，上下相邻的吸能芯层之间的连接方式有多种，如，在第一吸能芯层1的下部连接一个平板，在平板的下方连接第二吸能芯层2；为便于对各吸能腔体的连接关系进行说明，如图1所示，设位于中部的吸能芯层的吸能腔体为第一吸能腔体a，与第一吸能腔体a相邻且位于第一吸能腔体a左上方的吸能腔体为第二吸能腔体b，与第一吸能腔体a相邻且位于第一吸能腔体a右上方的吸能腔体为第三吸能腔体c，与第一吸能腔体a相邻且位于第一吸能腔体a右下方的吸能腔体为第四吸能腔体d，与第一吸能腔体a相邻且位于第一吸能腔体a左下方的吸能腔体为第五吸能腔体e；
第一吸能腔体a的第一面板与第二吸能腔体b的第三面板重合设置，第一吸能腔体a的第二面板与第三吸能腔体c的第四面板重合设置，第一吸能腔体a的第三面板与第四吸能腔体d的第一面板重合设置，第一吸能腔体a的第四面板与第五吸能腔体e的第二面板重合设置，吸能腔体内呈蜂窝状，不仅保证了各吸能芯层之间的牢固连接，而且节约材料，满足车辆的轻量化设计要求。
如图1所示，本实施例中的吸能芯层为三层，设第三吸能芯层的相邻吸能腔体分别为左吸能腔体f和右吸能腔体g，左吸能腔体f的第三面板与右吸能腔体g的第四面板之间的夹角为第三吸能芯层的第二二面角36，第三吸能芯层第二二面角36小于第三吸能芯层的第一二面角。
第一吸能芯层1的第一二面角小于等于97°且大于等于93°，第二吸能芯层2的第一二面角小于等于84°且大于等于80°，第三吸能芯层3的第一二面角小于等于72°且大于等于68°，第三吸能芯层的3第二二面角36小于等于60°且大于等于56°。
优选的，第一吸能芯层1的第一二面角15为95°，第二吸能芯层2的第一二面角25为82°，第三吸能芯层3的第一二面角35为70°，第三吸能芯层3的第二二面角36为58°。
各吸能芯层的二面角处于95°至58°之间，既保证了受到撞击时吸能芯层能够具有较大的溃缩空间，而且保证了吸能芯层具有足够的强度，因此单位体积内的复合吸能层能够吸收更多能量，满足了汽车轻量化的要求，单位体积内吸收能量的增加使车辆的结构设计更加具有选择性。
一种夹层结构的实施例，如图4所示，包括上述的复合吸能层和固定粘贴在复合吸能层上部的上板200、固定粘贴在复合吸能层下部的下板300，其中上板200和下板300均为铝合金，各吸能芯层的吸能腔体的壁厚均为1CM，复合吸能层所采用的材料为尼龙，尼龙材料弹性较高，吸能效果好。
一种夹层结构的制备方法的优选实施例，本实施例中对复合吸能层采用3D打印方式加工成型，包括以下步骤，步骤S1，构建复合吸能层的三维数字模型；本实施例中使用软件SolidWorks构建吸能芯层结构；步骤S2，根据复合吸能层的三维数字模型，3D打印出复合吸能层；使用熔融沉积成型技术，在固定好加工基板、铺粉完成后，根据设定的加工工艺参数打印吸能芯层；步骤S3,在复合吸能层的上部粘贴上板200，在复合吸能层的下部粘贴下板300;配置环氧树脂并将打印好的吸能芯层与上、下面板的接触面充分粘结，环氧完全固化后，得到制作完成的夹层结构。其中，复合吸能芯层的原材料为尼龙粉末颗粒，3D打印时的结晶温度为146℃、芯层密度为1010kg/m3，并且，在步骤S3之后对夹层结构进行抗冲击试验。
图5是夹层结构试件在冲击荷载作用下的力-位移曲线图，由图3可知，持续的冲击力使得试件不断被压缩，接连出现四个冲击力峰值，这四个冲击力峰值分别代表第一吸能芯层1的第一面板和第二面板、第二吸能芯层2的第一面板和第二面板、第三吸能芯层3的第一面板和第二面板、第三吸能芯层3的第三面板和第四面板受冲击破坏时的吸能过程，试验得到的力-位移曲线表示变形的9个阶段。在第一阶段，第一吸能芯层1的第一面板和第二面板发生线弹性变形，因此力随着位移而逐渐增加；第二阶段中，第一吸能芯层1的第一面板和第二面板开始弯曲和塌陷，由于其位移范围较大，因此夹层结构试件在该阶段发生较大形变且吸收大部分能量；在第三阶段，第二吸能芯层2的第一面板和第二面板发生线弹性变形，力随着位移而逐渐增加；在第四阶段，第二吸能芯层2的第一面板和第二面板开始弯曲和塌陷，试件吸收大部分能量；在第五阶段，第三吸能芯层3的第一面板和第二面板发生线弹性变形；在第六阶段，第三吸能芯层3的第一面板和第二面板开始弯曲和塌陷；在第七阶段，第三吸能芯层3的第三面板和第四面板发生线弹性变形；在第八阶段，第三吸能芯层3的第三面板和第四面板开始弯曲和塌陷；在第九阶段中，各个吸能芯层的吸能腔体均已塌陷，难以继续吸能，因此压力急剧上升。
从上述试验结果可知，当碰撞力沿垂直于吸能芯层的方向作用于本实施例的夹层结构时，第一二面角最大的第一吸能芯层的上部首先发生破坏，其次是第二吸能芯层的上部、然后是第三吸能芯层的上部，直至第三吸能芯层的下部，而且，随着被破坏吸能芯层的增加，吸能芯层所产生的缓冲力逐渐增大，因此，本实施例的复合吸能层在受到较大碰撞力时的破坏是具有梯度的，不会出现某一截面受到随机破坏后薄壁结构整体抗压强度迅速下降的情况，故而，本实施例的夹层结构结构紧凑，结构布置合理，在受到破坏时，单位体积的吸能层能够吸收更多的能量，吸能效果好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种复合吸能层，其特征在于，包括从上至下依次设置的多层吸能芯层；
各所述吸能芯层均包括多个隔离布置的吸能腔体，位于各所述吸能芯层中部的多个所述吸能腔体均密封布置，位于各所述吸能芯层边缘的多个所述吸能腔体均具有开口；
设各所述吸能腔体的上部的夹角为第一二面角，多层所述吸能芯层的第一二面角由上至下依次减小；
各所述吸能腔体均为卧式四棱柱状；
所述卧式四棱柱状吸能腔体的四个侧面依次为第一面板、第二面板、第三面板和第四面板，所述第一面板和所述第二面板位于上部，所述第三面板和所述第四面板位于下部，所述第一面板和所述第二面板之间的夹角为所述第一二面角；设位于中部的吸能腔体为第一吸能腔体，与所述第一吸能腔体相邻且位于所述第一吸能腔体左上方的吸能腔体为第二吸能腔体，与所述第一吸能腔体相邻且位于所述第一吸能腔体右上方的吸能腔体为第三吸能腔体，与所述第一吸能腔体相邻且位于所述第一吸能腔体右下方的吸能腔体为第四吸能腔体，与所述第一吸能腔体相邻且位于所述第一吸能腔体左下方的吸能腔体为第五吸能腔体；
所述第一吸能腔体的第一面板与所述第二吸能腔体的第三面板重合设置，所述第一吸能腔体的第二面板与所述第三吸能腔体的第四面板重合设置，所述第一吸能腔体的第三面板与所述第四吸能腔体的第一面板重合设置，所述第一吸能腔体的第四面板与所述第五吸能腔体的第二面板重合设置。
2.根据权利要求1所述的复合吸能层，其特征在于，设最下层的吸能芯层的相邻吸能腔体分别为左吸能腔体和右吸能腔体，所述左吸能腔体的第三面板与所述右吸能腔体的第四面板之间的夹角为第二二面角，所述第二二面角小于所述最下层的吸能芯层的第一二面角。
3.根据权利要求2所述的复合吸能层，其特征在于，所述吸能芯层为三层，第一吸能芯层的第一二面角小于等于97°且大于等于93°，第二吸能芯层的第一二面角小于等于84°且大于等于80°，第三吸能芯层的第一二面角小于等于72°且大于等于68°，所述第二二面角小于等于60°且大于等于56°。
4.根据权利要求3所述的复合吸能层，其特征在于，所述第一吸能芯层的第一二面角为95°，所述第二吸能芯层的第一二面角为82°，所述第三吸能芯层的第一二面角为70°，所述第二二面角为58°。
5.一种包含权利要求1至4任一项所述的复合吸能层的夹层结构，其特征在于，所述复合吸能层的上部粘贴固定有上板，所述复合吸能层的下部粘贴固定有下板。
6.一种权利要求5所述的夹层结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，构建复合吸能层的三维数字模型；
步骤S2，根据所述复合吸能层的三维数字模型，3D打印出复合吸能层的实体；
步骤S3，在所述复合吸能层的上部粘贴上板，在所述复合吸能层的下部粘贴下板。
7.根据权利要求6所述的夹层结构的制备方法，其特征在于，所述上板和所述下板均为铝合金板；
所述复合吸能层的原材料为尼龙粉末颗粒，3D打印时的结晶温度为146℃、芯层密度为1010kg/m3。
8.根据权利要求6所述的夹层结构的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3之后对所述夹层结构进行抗冲击试验。
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