CN114110068A - 一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，包括圆柱形吸能单元，吸能单元包括吸能环体，吸能环体沿径向分布有1‑3层，吸能环体包括外环体、内环体以及随形设置在外环体和内环体之间沿环向均布的内凹四边形，外环体、内环体、内凹四边形的厚度相同；其中外层吸能环体的内环体作为相邻内层吸能环体的外环体存在，相邻吸能环体的内凹四边形共用一段圆弧平面且其形心在同一直线上；吸能单元由上至下依次轴向对应排列构成仿生吸能管，其中各吸能单元的高度由上至下依次减少，各吸能单元外环体的厚度由上至下依次增加。

Description

一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管
技术领域
本发明属于汽车零部件技术领域，涉及汽车零部件中的吸能结构，具体涉及一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管。
背景技术
随着中国汽车工业的发展以及国民生活水平的提高，我国汽车保有量迅速增长，安全问题越来越被人们关注。其中汽车的安全分为主动安全和被动安全，目前来说主要起作用的是被动安全，即事故发生后的保护。碰撞是人们经常遇到的事故类型，一般为程度较轻的碰撞，此时保险杠会被向后推，前纵梁及内轮壳、前翼子板、前横梁及散热器框架会变形，其中前纵梁、前横梁都起着承担汽车部件的作用，一旦发生较大变形会对汽车安全性造成威胁，经修复后也会存在很大的安全隐患。因此对防撞梁与前纵梁之间的吸能盒提出了要求，要求吸能盒能够尽量多的吸收碰撞的能量以免对汽车承载部件造成大的损伤。这属于提高汽车被动安全性能的范畴，目的是在发生事故后更好的保护驾乘人员。
为了提升吸能盒的吸能效果，针对吸能管式吸能盒，现在大多是设计不同截面形式的吸能管，如中文论文《基于仿方竹结构的薄壁管耐撞性分析及优化》中对薄壁管截面进行了改进，其从方竹的截面结构出发设计了吸能效果更好的薄壁管。在中国专利CN212158993 U中提出的设计是：在中间管内部加多边形内管，外管和中间管中间均匀分布斐波那契螺旋线结构。但是现有设计并没有考虑斜向冲击工况，实际上斜向冲击在车辆碰撞中更为常见。不考虑斜向冲击性能，即使轴向冲击性能优异，在斜向冲击时其吸能性能会骤降，从而使结构的吸能效率大大折扣，对乘员的安全造成极大威胁。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管。
本发明的技术方案如下：
一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，包括圆柱形吸能单元，所述吸能单元包括吸能环体，所述吸能环体沿径向分布，所述吸能环体包括外环体、内环体以及随形设置在外环体和内环体之间沿环向均布的内凹四边形，所述外环体、内环体、内凹四边形的厚度相同；其中外层吸能环体的内环体作为相邻内层吸能环体的外环体存在，相邻吸能环体的内凹四边形共用一段圆弧平面且其形心在同一直线上；所述吸能单元由上至下依次轴向对应排列构成仿生吸能管，其中各吸能单元的高度由上至下依次减少，各吸能单元外环体的厚度由上至下依次增加。
作为本发明的优选，该仿生吸能管由8-12层吸能单元组成。
作为本发明的优选，所述吸能单元的高度以等差数列规律变化，所述吸能单元外环体的厚度呈梯度变化，公式如下：
Figure BDA0003351443970000021
其中，tx是所求层吸能单元的外环体厚度，t0是最上层吸能单元的外环体厚度，tn是最下层吸能单元的外环体厚度，x是从最上层吸能单元顶部到所求层吸能单元顶部的距离，h为该仿生吸能管的总高度，q为增长因子，取值范围是0-0.5。
作为本发明的优选，所述吸能单元的吸能环体为1-3层。
作为本发明的优选，所述吸能环体的内凹四边形数量为4-8个。
作为本发明的优选，该仿生吸能管为利用钢材质经过切割或3D打印加工而成的一体式结构。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，设计新颖，结构简单，加工方便，适合于批量生产的要求。
(2)本发明提供的基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，其中吸能单元的排布方式仿照竹子呈梯度分布，即厚度梯度由上至下递增，高度梯度由上至下递减，仿生于竹子的竹节越往上越长的形式，使仿生吸能管结构在轴向与斜向冲击时均能保持良好吸能效果，具有优异的吸能稳定性，能够保证乘员的安全性。
(3)本发明提供的基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，其中填充的内凹四边形结构，具有负泊松比的吸能效果，分层的设计形式，进一步的克服了现有技术中不能有效应对斜向碰撞的困难，为汽车行业的安全发展提供了技术支持。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为本发明中吸能单元的轴侧图。
图2为本发明中吸能单元的截面图。
图3为本发明中实施例1的梯度示意图。
图4为本发明中对比例1、对比例2和实施例1在0°载荷时结构的吸能曲线对比图。
图5为本发明中对比例1、对比例2和实施例1在10°载荷时结构的吸能曲线对比图。
图6为本发明中对比例1、对比例2和实施例1在20°载荷时结构的吸能曲线对比图。
图7为本发明中对比例1、对比例2和实施例1在30°载荷时结构的吸能曲线对比图。
图8为本发明中对比例1、对比例2和实施例1在0°载荷时的结构形变对比图。
图9为本发明中对比例1、对比例2和实施例1在20°载荷时的结构形变对比图。
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。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“下”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
实施例1
参阅图1至图3所示：一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，包括圆柱形吸能单元1，吸能单元1包括吸能环体11，吸能环体11沿径向分布有2层，吸能环体11包括外环体111、内环体112以及随形设置在外环体111和内环体112之间沿环向均布的6个内凹四边形113，外环体111、内环体112、内凹四边形113的厚度相同；其中外层吸能环体11的内环体112作为相邻内层吸能环体的外环体存在，相邻吸能环体的内凹四边形共用一段圆弧平面且其形心在同一直线上；10层的吸能单元1由上至下依次轴向对应排列构成仿生吸能管，其中各吸能单元1的高度由上至下依次减少，各吸能单元外环体厚度由上至下依次增加。
吸能单元的高度以等差数列规律变化，吸能单元外环体厚度呈梯度变化，公式如下：
Figure BDA0003351443970000051
其中，tx是所求层吸能单元的外环体厚度，t0是最上层吸能单元的外环体厚度，t9是最下层吸能单元的外环体厚度，x是从最上层吸能单元顶部到所求层吸能单元顶部的距离，h为该仿生吸能管的总高度，q为增长因子，取值范围是0-0.5。
进一步地，该仿生吸能管为利用钢材质经过切割或3D打印加工而成的一体式结构。
进行仿真时结构参数设置如下：
h＝150mm，D＝60mm，d＝0.5*D＝30mm，t的范围为0.65-1.35mm，h的范围为6-24mm，D是外层吸能环体11的外环体111中心线的直径，d是内层吸能环体的内环体中心线的直径，t是外层吸能环体11的外环体111厚度。最上层吸能单元的外环体厚度t0为0.65mm，最上层吸能单元的高度h9为24mm，往下每一层吸能单元的外环体厚度按公式增加，每一层吸能单元的高度减少2mm，最下面层吸能单元的外环体厚度t9为1.35mm，最下面层吸能单元的高度h0为6mm。
对比例2
现有吸能管，该吸能管为仅由一层吸能环体11的外环体111构成，且该外环体111的厚度为1.00mm，高度为150mm，外环体111内侧的直径为60mm。
对比例3
等厚度仿生吸能管，与实施例1的区别仅在于，该吸能管每层吸能单元1的外环体111厚度相同，均为1.00mm。
吸能结构效果证明
参照C-NCAP标准对实施例1、对比例1、对比例2的吸能管结构进行0°的轴向载荷冲击，以及10°、20°、30°的斜向载荷冲击。
参阅图4至图7所示：可以看出，在承受0°的轴向载荷和10°的小角度斜向载荷时，仿生吸能管与等厚度仿生吸能管吸能效果相差不大，均优于现有吸能管；在承受20°、30°的大角度斜向载荷时，等厚度仿生吸能管与现有吸能管的吸能效果相仿，而本发明所提供的仿生吸能管表现出等厚度仿生吸能管和现有吸能管不可比拟的吸能优势；
参阅图8和图9所示：可以看出，在承受0°的轴向载荷时，现有吸能管与等厚度仿生吸能管具有相似的变形模式，但是等厚度仿生吸能管有更多的褶皱，这意味着等厚度仿生吸能管变形的地方更多，变形更充分，说明等厚度仿生吸能管的吸能效果远远大于现有吸能管；在承受20°斜向载荷冲击时，虽然等厚度仿生吸能管发生了弯折造成其吸能量减少、吸能效果急剧下降，但仍与未发生弯折的现有吸能管吸能量相仿，本发明提供的仿生吸能管没有发生弯折，而是逐层压溃，充分的利用了变形来吸收碰撞的能量，相较于等厚度仿生吸能管而言抗斜向冲击能力大大增加；
因此本发明提供的仿生吸能管在抵抗轴向冲击和斜向冲击时都能保持良好的吸能效果，在利用过程中，能够提高设备的安全性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，其特征在于：包括圆柱形吸能单元，所述吸能单元包括吸能环体，所述吸能环体沿径向分布，所述吸能环体包括外环体、内环体以及随形设置在外环体和内环体之间沿环向均布的内凹四边形，所述外环体、内环体、内凹四边形的厚度相同；其中外层吸能环体的内环体作为相邻内层吸能环体的外环体存在，相邻吸能环体的内凹四边形共用一段圆弧平面且其形心在同一直线上；所述吸能单元由上至下依次轴向对应排列构成仿生吸能管，其中各吸能单元的高度由上至下依次减少，各吸能单元外环体的厚度由上至下依次增加。
2.根据权利要求1所述的一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，其特征在于：该仿生吸能管由8-12层吸能单元组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，其特征在于：所述吸能单元的高度以等差数列规律变化，所述吸能单元外环体的厚度呈梯度变化，公式如下：
Figure FDA0003351443960000011
其中，tx是所求层吸能单元的外环体厚度，t0是最上层吸能单元的外环体厚度，tn是最下层吸能单元的外环体厚度，x是从最上层吸能单元顶部到所求层吸能单元顶部的距离，h为该仿生吸能管的总高度，q为增长因子，取值范围是0-0.5。
4.根据权利要求1所述的一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，其特征在于：所述吸能单元的吸能环体为1-3层。
5.根据权利要求1所述的一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，其特征在于：所述吸能环体的内凹四边形数量为4-8个。
6.根据权利要求1所述的一种基于竹子变竹节特征的仿生吸能管，其特征在于：该仿生吸能管为利用钢材质经过切割或3D打印加工而成的一体式结构。
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