CN115027397A

CN115027397A - 基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒

Info

Publication number: CN115027397A
Application number: CN202210694569.7A
Authority: CN
Inventors: 徐峰祥; 牛小强; 虞科炯; 管一杰; 王得伟; 邓香林
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2022-06-20
Filing date: 2022-06-20
Publication date: 2022-09-09

Abstract

本发明涉及一种基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒，包括外壳和内芯，所述外壳为矩形截面的层级结构，外壳的各层壳体间同构约束梁连接，所述内芯为三维负泊松比芯体，由负泊松比胞元构成，所述胞元为任意曲边蜂窝胞元，胞元曲边为任意曲边的内凹段，胞元沿X方向作阵列变化得到多胞结构，多胞结构绕X轴旋转90度并沿X、Y轴多次阵列变化得到三维负泊松比芯体。本发明吸能盒在受到各方向冲击时，具有良好的吸能能力，以及较高的压缩力效率，有很强的耐撞能力。

Description

基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒

技术领域

本发明涉及汽车零部件轻量化领域，更具体地说，涉及一种基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒。

背景技术

吸能盒是保证汽车被动安全性的关键吸能元件，通常安装在保险杠防撞梁与车身前纵梁之间。作为一种典型的金属薄壁结构，当汽车发生碰撞时，吸能盒能够通过自身的屈曲变形、断裂等破坏形式来吸收碰撞过程中产生的大量能量，从而有效减少后方乘员的伤害及财产损失。目前，常规的吸能盒设计往往只从外形结构、材料优化和内部填充中的一方面入手，忽略了这三者相辅相成的设计关系，通常很难满足日益严苛的汽车碰撞安全要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒，可以实现更好的吸能能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒，包括外壳和内芯，所述外壳为矩形截面的层级结构，外壳的各层壳体间同构约束梁连接，所述内芯为三维负泊松比芯体，由负泊松比胞元构成，所述胞元为任意曲边蜂窝胞元，胞元曲边为任意曲边的内凹段，胞元沿X方向作阵列变化得到多胞结构，多胞结构绕X轴旋转90度并沿X、Y轴多次阵列变化得到三维负泊松比芯体。

按上述方案，所述外壳为三层堆垛的内外嵌套结构。

按上述方案，所述胞元曲边和竖臂为薄壳。

按上述方案，所述外壳截面为矩形。

实施本发明的基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒，具有以下有益效果：

1、动物犄角拥有独特的结构特征和优异的力学性能，作为天然的抗冲击管状生物材料，动物犄角仿生结构耐撞性能优异。负泊松比多胞材料由于其轻质、隔振、高吸能、高阻尼等特性，任意曲边蜂窝胞元结构作为传统内凹六边形蜂窝结构的变体，具有优于传统负泊松比材料的吸能特性。

2、本发明具有良好的吸能特性以及耐撞性，受轴向载荷冲击时，本发明具有明显优于方形吸能盒、对角吸能盒的承载和吸能能力。受横向载荷冲击时，本发明的压缩力效率要远高于其他吸能盒，总体上呈现出了更加优异的横向耐撞性能。本发明的层级结构能够有效降低结构的初始峰值冲击力，同时内部由任意曲线负泊松比蜂窝胞元构成的仿生芯体能够进一步提升结构抗冲击性能，两者的共同作用使仿生吸能盒具备了优异的耐撞性能。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例中层级外壳结构特征提取示意图；

图2是本发明实施例中层级外壳结构尺寸示意图；

图3是本发明实施例中负泊松比芯体构建示意图；

图4是本发明实施例中外壳与芯体组合示意图；

图5是本发明实施例与其他三种结构吸能盒结构示意图；

图6是不同冲击方向的有限元模型示意图；

图7是不同吸能盒轴向变形应力云图；

图8是轴向冲击下不同吸能盒吸能特性曲线；

图9是不同吸能盒横向变形应力云图；

图10是横向冲击下不同吸能盒吸能特性曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-4为本发明实施例的结构设计图，由图可知，本发明在进行吸能盒的仿生外壳设计时，使用如图1(a)、(b)的牛角结构作为仿生对象，将牛角外壳的多层堆垛结构简化为3层，并采用自相似内外嵌套的形式进行结构布置，同时本发明外壳结构设计为矩形截面，从而得到如图1(c)所示的层级外壳结构，其中各层壳体间用约束梁进行连接，具体的结构尺寸参数如图2所示。同时，本实施例选择了一种具有负泊松比效应的正弦曲边蜂窝胞元，如图3(a)所示，该结构可看作是传统内凹六边形蜂窝结构的变体，通过在结构两侧引入振幅为A，周期为l₁的正弦曲线，实现了负泊松比蜂窝胞元在几何参数上的简化，其中，b为蜂窝胞元的面外厚度，t₁为胞壁厚度，l₁为胞元长度，其值与正弦曲线周期一致，l₂为胞元宽度。在此基础上，对该负泊松比蜂窝结构胞元进行合理的空间变化以得到三维负泊松比芯体，具体的构建过程为：首先，将胞元沿X轴方向作阵列变化，得到一列连续的多胞结构；然后，将该结构绕X轴旋转90度，得到如图3(b)所示的中间结构；最后，沿Y，Z轴方向再次进行阵列变化得到如图3(c)所示的三维芯体结构。最后，将构建好的层级外壳和负泊松比芯体组件进行组合，便得到了如图4所示的仿牛角结构正弦曲边负泊松比填充内芯吸能盒。

为了研究本实施例在冲击载荷作用下的耐撞性能，选取了等长度和等壁厚的方形吸能盒、对角吸能盒、对边吸能盒以及仿生吸能盒进行变形模式和吸能特性的对比分析，四种吸能盒结构模型及其截面形状如图5所示，吸能盒长度均为160mm，各结构壁厚均为1mm且方形截面外围周长均相同，边长为100mm。仿生吸能盒中填充的正弦曲线蜂窝胞元的结构参数取为A＝2.0mm，l₁＝10mm，t＝0.2mm；仿生芯体总体尺寸为70mm×70mm×160mm。选择铝合金6061-T6作为吸能盒材料。

本发明实施例在进行耐撞性对比分析时，设置了轴向和横向两种冲击工况，并分别建立了如图6(a)、(b)所示的有限元模型。吸能盒结构均采用MAT24材料模型，沿厚度方向设置5个积分点。刚性墙采用MAT20刚性材料模型，质量为500kg，以13.9m/s(50km/h)的初速度分别沿结构轴向和横向撞击吸能盒。其中，轴向冲击时，吸能盒下端全约束固定，上端自由，定义压缩位移为100mm；横向冲击时，吸能盒左端固定，右端自由，定义压缩位移为50mm。刚性墙与吸能盒之间、蜂窝芯体与仿生外壳之间均采用面面自动接触，静、动摩擦系数分别取0.3和0.2，各结构自身均采用单面自动接触。

轴向冲击结果如图7所示，本发明实施例的承载能力相比于对角吸能盒明显占优，其轴向变形更加均匀，有效避免了结构中部提前出现折叠坍塌。而且本发明实施例的应力分布总体上比较均匀。本发明实施例在拐角处以及外壳与约束梁连接处均有不同程度的应力集中现象，这使其能够触发更多的渐进叠缩变形，进一步证明其在吸能能力上的潜力。由图8的吸能特性曲线可知，本发明实施例的总吸能量始终具有显著的优势，而比吸能变化与其他吸能盒相比较为一致。

横向冲击结果如9所示，奔赴买那个实施例依然保持了良好的叠缩趋势，体现出优异的横向耐撞性能。横向冲击时的应力分布相比于另外三种吸能盒表现得更加匀匀，这一点与其轴向冲击时类似。同时，由于本发明实施例内部有层级结构和负泊松比芯体共同来承受载荷，因此，横向冲击时其结构应力值总体上相对较小，体现出了良好的缓冲吸能特性。由图10的吸能特性曲线可知，本发明实施例在承受横向冲击时能够很好地保持结构在能量吸收上的优势，其比吸能曲线也呈现出了快速上升的走势。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒，其特征在于，包括外壳和内芯，所述外壳为矩形截面的层级结构，外壳的各层壳体间同构约束梁连接，所述内芯为三维负泊松比芯体，由负泊松比胞元构成，所述胞元为任意曲边蜂窝胞元，胞元曲边为任意曲边的内凹段，胞元沿X方向作阵列变化得到多胞结构，多胞结构绕X轴旋转90度并沿X、Y轴多次阵列变化得到三维负泊松比芯体。

2.根据权利要求1所述的基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒，其特征在于，所述外壳为三层堆垛的内外嵌套结构。

3.根据权利要求1所述的基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒，其特征在于，所述胞元曲边和竖臂为薄壳。

4.根据权利要求1所述的基于动物犄角仿生结构的负泊松比填充内芯吸能盒，其特征在于，所述外壳截面为矩形。