CN114934965A - 一种双梯度层级多胞吸能结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双梯度层级多胞吸能结构，属于吸能设备的技术领域，该结构的初始峰值载荷较少且具有较好的吸能效果；包括支撑管，所述的支撑管内沿其延伸方向设有第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板，所述的第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板的高度逐渐递减，且第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板之间相互交错布置。

Description

一种双梯度层级多胞吸能结构

技术领域

本发明涉及是吸能设备的技术领域，更具体地说，尤其涉及一种双梯度层级多胞吸能结构。

背景技术

庞大的汽车保有量，导致了交通事故的频繁发生，交通事故的发生，除了给社会和个人造成巨大经济损失外，也给事故双方造成严重的身体和精神伤害。因此，提高车辆安全性已成为汽车设计所面临的严峻挑战。目前，在提高车辆的被动安全方面，主要是提高吸能结构的承载能力和吸能效率。作为车辆中的吸能结构，在碰撞发生时，首先，应该具有高效、稳定的吸能特性，以及规则的变形模式。其次，还要有良好的承载能力，以及避免在碰撞过程中产生过大的初始峰值力。为了满足这些条件，设计人员将薄壁金属管广泛应用于汽车、飞行器和高速列车的吸能结构设计当中，当碰撞发生时，薄壁管依靠其塑性变形、断裂等破坏行为吸收冲击载荷的能量，从而提高结构的整体耐撞性能。

常见的薄壁管，包括圆管、方管、星形管、多胞管等，已经被大量研究。层级结构是近年来新起的吸能结构，大量的专家和学者提出了一系列的新型分层吸能薄壁结构，采用数值仿真、试验、理论以及优化方法等进行了全方位的研究。现有研究都充分证明了层级结构在能量吸收方面的优越性。

薄壁结构在碰撞的起始阶段，即会快速的以极短的时间达到初始峰值载荷，过高的初始峰值载荷会导致乘员或货物的严重损害，因此，要求碰撞过程中的初始峰值载荷不能过高。近年来，为了减少结构在碰撞过程中的初始峰值载荷，各种各样的梯度结构被广泛研究和发展。然而，现今鲜少有将梯度与层级相结合的双梯度层级结构，以综合提高结构吸能和降低结构的初始峰值力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双梯度层级多胞吸能结构，该结构的初始峰值载荷较少且具有较好的吸能效果。

本发明的技术方案如下：

一种双梯度层级多胞吸能结构，包括支撑管，所述的支撑管内沿其延伸方向设有第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板，所述的第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板的高度逐渐递减，且第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板之间相互交错布置。

进一步的，所述的第一吸能板和第二吸能板为十字交叉的肋板，且所述第一吸能板和第二吸能板的外边缘均与支撑管固定连接。

进一步的，所述第一吸能板的对称中心线和第二吸能板相重合。

进一步的，所述的第三吸能板为矩形的肋板，所述第三吸能板的四个边与第一吸能板的四个边相垂直，所述第三吸能板的四个角与第二吸能板的四个边相衔接，且所述第三吸能板的四个角与支撑管固定连接。

进一步的，所述的第四吸能板为4个直角形的肋板，4个所述的第四吸能板设置在第三吸能板和支撑管之间，并且第四吸能板均与第三吸能板和支撑管固定连接，4个所述第四吸能板的直角分别与第三吸能板的四个边相衔接。

进一步的，所述的第五吸能板为4个平面状的肋板，所述的第五吸能板设置在第四吸能板的内部，且第五吸能板的两端与第四吸能板固定连接。

进一步的，所述支撑管的高度和第一吸能板的高度均为12cm，所述第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板以2cm的高度依次递减。

进一步的，所述的支撑管为方形或者矩形管。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构，通过在支撑管中沿其延伸方向设有第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板，所述的第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板的高度逐渐递减，且第一吸能板、第二吸能板、第三吸能板、第四吸能板和第五吸能板之间相互交错布置，这样的吸能结构，从上往下的角度观察，呈现从里往外的层级分布，支撑管顶端的壁板较少，使该结构的初始峰值载荷减少，而从内向外的层级分布，又能提升该结构的吸能能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中A处的截面图；

图3是图1中B处的截面图；

图4是图1中C处的截面图；

图5是图1中D处的截面图；

图6是图1中E处的截面图；

图7是对有限元模型进行冲击的示意图；

图8是常规方管和实施例1的管在0度时冲击力-位移曲线图；

图9是常规方管和实施例1的管在10度时冲击力-位移曲线图；

图10是常规方管和实施例1的管在20度时冲击力-位移曲线图；

图11是常规方管和实施例1的管在30度时冲击力-位移曲线图；

图12是与常规方管对比的变形模式图；

图13是常规方管和实施例1的管在0度时能量吸收曲线图；

图14是常规方管和实施例1的管在10度时能量吸收曲线图；

图15是常规方管和实施例1的管在20度时能量吸收曲线图；

图16是常规方管和实施例1的管在30度时能量吸收曲线图；

图17是常规方管和实施例1的管的比能量吸收对比图；

图18是常规方管和实施例1的管的初始峰值力对比图；

图19是常规方管和实施例1的管的冲击载荷效率对比图。

其中：1-支撑管、2-第一吸能板、3-第二吸能板、4-第三吸能板、5-第四吸能板、6-第五吸能板。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

参照图1～6所示，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构，包括支撑管1，所述的支撑管1内沿其延伸方向设有第一吸能板2、第二吸能板3、第三吸能板4、第四吸能板5和第五吸能板6，所述的第一吸能板2、第二吸能板3、第三吸能板4、第四吸能板5和第五吸能板6的高度逐渐递减，且第一吸能板2、第二吸能板3、第三吸能板4、第四吸能板5和第五吸能板6之间相互交错布置，这样的吸能结构，从上往下的角度观察，呈现从里往外的层级分布，支撑管1顶端的壁板较少，使该结构的初始峰值载荷减少，而从内向外的层级分布，又能提升该结构的吸能能力。

所述的支撑管1为方形或者矩形，使本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构能够应用至更多形状的薄壁管中。

实施例1

本实施例中的结构的技术方案与实施方式所提供的技术方案基本相同，所述的支撑管1为方形薄壁管。所述支撑管1的高度和第一吸能板2的高度均为12cm，所述第一吸能板2、第二吸能板3、第三吸能板4、第四吸能板5和第五吸能板6以2cm的高度依次递减。

对比分析

使用Abaqus/Explicit按常规方管和实施例1的管分别构建其仿真有限元模型，参照图7所示，对这两个模型分别在α为0度、10度、20度、30度这几个冲击角度下对它们进行冲击测试，得到的力-位移如图8～图11。记录模拟的变形模式，如图12所示。记录各个冲击角度下的能量吸收情况，如图13～图16。

从图8～图12可得，当冲击角度为0时，常规方管在初始阶段即快速达到峰值载荷，随后即快速下降并进入连续波动阶段，这表现出了与其它常规空心薄壁管在轴向冲击下相类似的力-位移曲线，但是这种结构的不足之处是具有很大的初始峰值载荷，并不利于在碰撞过程中对成员的保护。与常规方管的力-位移曲线完全不同的是，实施例1在0度冲击下的初始峰值力仅仅只有36.86kN，相比常规方管的初始峰值力的66.62kN而言，实施例1的初始峰值力降低了44.67％。除此之外，实施例1的管作用力则随着冲击进行，呈现出了逐渐上升的趋势。从能量吸收角度而言，很明显，这是一种非常有利于能量吸收的结构，即，在冲击的前半阶段有着较低的初始峰值载荷降低了加速度，避免了乘员的伤害。而在冲击的后半阶段的作用力的逐渐上升，以更大的发挥结构的吸能效果。之所以会出现此类力-位移曲线，主要归因于所提出的双梯度层级多胞吸能结构的新奇设计。在靠近冲击端位置，布置了最少的肋板，每2cm就不断的增加隔板数量，以实现结构沿轴向的肋板数量的梯度分布。随着冲击距离的增加，参与碰撞的肋板数量逐渐增加，使得结构在后续的冲击的过程，力呈现不断上升，这也意味着在后续的阶段，双梯度层级多胞吸能结构能吸收更多的碰撞能量。通过图12的变形模式得知，在0度冲击下，实施例1的管产生的褶皱数量最多，所有的结构都产生了稳定的渐进折叠变形模式。而当角度增加到10度时，尽管也都产生了渐进折叠的变形模式，但明显的，常规方管的褶皱数量相比实施例1的管产生的褶皱数量而言更少。双梯度层级多胞吸能结构在10度冲击时，产生了7个完整的褶皱，而常规方管则仅有2个褶皱。随着角度的增加，不同结构的变形模式差异进一步增加。当冲击角度为30度时，实施例1的管表现了很好的渐进折叠变形模式，与常规方管产生的大褶皱不同，实施例1的管产生的褶皱数量不但多，并褶皱的波长少。这主要是因为双梯度层级多胞吸能结构靠近固定端的隔板数量增加，质量相等条件的限制，靠近冲击端的壁厚也会越薄，冲击过程中也越发容易被压溃。所以，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构相比常规方管更适合于大角度冲击。

通过图13～图16可得，由于实施例1的管在靠近冲击端的结构质量较少，因此，无一例外，在冲击的前半阶段，双梯度层级多胞吸能结构的吸能普遍不如方管，但是随着压缩的进行，实施例1的管吸能效果开始快速增加，在压缩到最终状态时，无论是哪种角度，吸能效果最好的都是实施例1的管。这也充分说明了，不但在初始峰值力，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构具有绝对优势，在能量吸收角度而言，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构相比常规方管也有很大的优越性。

利用上述两个模型分别不同冲击角度下的测试数据，对常规方管和实施例1的管的耐碰撞性能进行量化评估。常规方管和实施例1的管的比能量吸收、初始峰值力、冲击载荷效率如图17～图19。

根据图17～图19可得，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构相比常规方管具有更高的比能量吸收，在所有角度冲击下的比能量吸收都要高于常规方管，尤其当冲击角度为10度时，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构的比能量吸收相比常规方管提升高达67.02％。除此之外，另一个关键的耐撞性指标初始峰值力，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构相比方管则具有绝对优势，在所有的角度冲击下的初始峰值力都要低于方管结构，初始峰值力最大降低高达79.92％。冲击角度越大，结构的初始峰值力越低。当冲击角度为30度时，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构的初始峰值力仅有2.44kN,而相应的方管的初始峰值力则高达10.67kN，是双梯度层级多胞吸能结构的4.37倍。通过图19可以看出，对于冲击载荷效率指标而言，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构相比方管也具有绝对优势，方管的冲击载荷效率最高只有114.8％，而本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构的冲击载荷效率最高则高达780.74％。因此，如果从冲击载荷效率角度而言，明显的，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构明显具有很大的优势。通过上述的比能量吸收、初始峰值力和冲击载荷效率的分析可以发现，本发明的一种双梯度层级多胞吸能结构相比常规方管具有优越的吸能效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双梯度层级多胞吸能结构，其特征在于，包括支撑管(1)，所述的支撑管(1)内沿其延伸方向设有第一吸能板(2)、第二吸能板(3)、第三吸能板(4)、第四吸能板(5)和第五吸能板(6)，所述的第一吸能板(2)、第二吸能板(3)、第三吸能板(4)、第四吸能板(5)和第五吸能板(6)的高度逐渐递减，且第一吸能板(2)、第二吸能板(3)、第三吸能板(4)、第四吸能板(5)和第五吸能板(6)之间相互交错布置。

2.根据权利要求1所述的一种双梯度层级多胞吸能结构，其特征在于，所述的第一吸能板(2)和第二吸能板(3)为十字交叉的肋板，且所述第一吸能板(2)和第二吸能板(3)的外边缘均与支撑管(1)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种双梯度层级多胞吸能结构，其特征在于，所述第一吸能板(2)的对称中心线和第二吸能板(3)相重合。

4.根据权利要求2所述的一种双梯度层级多胞吸能结构，其特征在于，所述的第三吸能板(4)为矩形的肋板，所述第三吸能板(4)的四个边与第一吸能板(2)的四个边相垂直，所述第三吸能板(4)的四个角与第二吸能板(3)的四个边相衔接，且所述第三吸能板(4)的四个角与支撑管(1)固定连接。

5.根据权利要求4所述的一种双梯度层级多胞吸能结构，其特征在于，所述的第四吸能板(5)为4个直角形的肋板，4个所述的第四吸能板(5)设置在第三吸能板(4)和支撑管(1)之间，并且第四吸能板(5)均与第三吸能板(4)和支撑管(1)固定连接，4个所述第四吸能板(5)的直角分别与第三吸能板(4)的四个边相衔接。

6.根据权利要求5所述的一种双梯度层级多胞吸能结构，其特征在于，所述的第五吸能板(6)为4个平面状的肋板，所述的第五吸能板(6)设置在第四吸能板(5)的内部，且第五吸能板(6)的两端与第四吸能板(5)固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种双梯度层级多胞吸能结构，其特征在于，所述支撑管(1)的高度和第一吸能板(2)的高度均为12cm，所述第一吸能板(2)、第二吸能板(3)、第三吸能板(4)、第四吸能板(5)和第五吸能板(6)以2cm的高度依次递减。

8.根据权利要求1所述的一种双梯度层级多胞吸能结构，其特征在于，所述的支撑管(1)为方形或者矩形管。

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