CN117565809A - 一种复合材料吸能盒以及防撞梁总成 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种复合材料吸能盒以及防撞梁总成，包括主体主体为多条侧边围合形成的筒状结构，由延第一方向分布的连续复合纤维构成；以及拐角加强部，延第一方向连续形成于主体的内角处；其中，拐角加强部在垂直于第一方向的截面形状由至少两条内边构成的齿状线段和侧边围合形成。另外本发明还涉及一种应用上述吸能盒的防撞梁总成。本发明的复合材料吸能盒，通过采用纤维复合材料构成，并且通过截面设计，在主体的内角处设置具有多个内凹角度的拐角加强部，从而使吸能盒能够在受到撞击时形成多个塑性铰从而使纤维复合材料也能够实现有效吸能。同时本发明通过设置不同屈曲强度的侧边，可以有效在受到碰撞后进行溃缩引导，提高吸能稳定性。

Description

一种复合材料吸能盒以及防撞梁总成

技术领域

本发明属于汽车生产防撞梁技术领域，具体涉及一种复合材料吸能盒以及防撞梁总成。

背景技术

汽车吸能盒作为汽车主要安全件之一，承担着在汽车碰撞时吸收冲击能量，减少传递到乘员舱的冲击载荷的作用，这种功能通常由自身较大的冲击变形来保障，也就是说，通过吸能盒在冲击中的变形溃缩，吸收掉冲击端带来的动能，从而减少传递到后端的能量。同时作为汽车防撞梁与车身纵梁之间的连接件，在正常行驶时又必须提供足够的刚度，以维持结构的稳定。这样看似矛盾的要求，为吸能盒的材料选型与结构设计，提出了较高的要求。

目前汽车行业的主流做法是采用具有较高模量的金属材料，以提供日常使用的刚度，同时在结构上，通过在吸能盒表面冲压出横向的溃缩引导槽（crash beads）,以使结构在受到纵向的负载时，易于沿着引导槽位置发生屈曲变形，从而诱导结构在该位置发生溃缩，促使吸能盒结构能按照理想的方式发生变形，达到吸能效果。

由于金属的质量较重，在节能减排与里程需求日益强烈的今天，对汽车金属结构进行减重成为一种趋势，其中一种方法是采用轻量化的复合材料来进行材料替换，但吸能盒的特殊性能要求导致这种方法实施难度较大。其中一个主要原因在于连续纤维复合材料是一种脆性材料（brittle materials），由于它不具备产生塑性应变的能力，导致其虽然有较高的模量，却无法承受较大的变形，从而限制了其吸能性能。其二是对于中空管状造型的吸能盒而言，适合连续纤维复合材料的成型工艺一般为拉挤工艺，而拉挤工艺基于其工艺特点，无法成型横向引导槽，否则无法出模。

基于这两个难点，使得连续纤维复合材料目前还不能够作为吸能盒的主要材料。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种复合材料吸能盒，通过截面设计，实现了采用连续纤维复合材料对吸能盒进行减重，并且使吸能盒符合材料性质与工艺特点，从而满足吸能盒的性能要求，同时实现轻量化的目标。

本发明所要达到的技术效果通过以下技术方案来实现：

一种复合材料吸能盒，包括

主体，所述主体为多条侧边围合形成的筒状结构，由延第一方向分布的连续复合纤维构成；以及

拐角加强部，延第一方向连续形成于所述主体的内角处；

其中，所述拐角加强部在垂直于所述第一方向的截面形状由至少两条内边构成的齿状线段和所述侧边围合形成。

在一些实施方式中，所述齿状线段的内凹夹角为35°~65°之间的任一值。

在一些实施方式中，所述主体内设置有加强筋，所述加强筋由所述主体内中心向所述内角延伸，并与所述拐角加强部连接。

在一些实施方式中，所述加强筋的两侧面与和所述拐角加强部的连接面分别形成夹角为80°~120°之间的任一值。

在一些实施方式中，所述拐角加强部在两相邻的所述加强筋和所述侧边之间的部分包括第一内边、第二内边，所述第一内边包括与侧边连接的第一端和与所述第二内边连接的第二端；所述第二内边包括与所述加强筋连接的第一端和与所述第一内边连接的第二端。

在一些实施方式中，所述第一内边与所述侧边形成的夹角为35°~65°之间的任一值；所述第二内边与所述加强筋所在面形成的夹角为80°~120°之间的任一值。

在一些实施方式中，所述内边为直线或者内凹弧线。内凹弧线有利于为主体形变时提供形变空间。

在一些实施方式中，所述侧边包括具有第一屈曲强度的第一侧边和具有第二屈曲强度的第二侧边，所述第一侧边和所述第二侧边间隔设置。

在一些实施方式中，所述第一侧边和/或所述第二侧边沿所述第一方向弯折形成若干沿所述第一方向延伸的折脊，且所述第二侧边的折脊数量大于所述第一侧边的折脊数量。

优选的，所述第一侧边的折脊数量为0。

在一些实施方式中，所述主体和所述拐角加强部的复合纤维含量≥60 wt%。

另外，本发明还提供一种防撞梁总成，包括底座、两个安装在所述底座上的吸能盒和架设在所述吸能盒上的防撞梁本体；其特征在于，所述吸能盒采用如上所述的复合材料吸能盒。

进一步的，所述吸能盒与所述防撞梁本体的连接方式为粘接或者是螺栓连接。

综上所述，本发明至少具有以下有益之处：

1、本发明的复合材料吸能盒，通过采用纤维复合材料构成，并且通过截面设计，在主体的内角处设置具有多个内凹角度的拐角加强部，从而使吸能盒能够在受到撞击时形成多个塑性铰从而使纤维复合材料也能够实现有效吸能。

2、本发明的复合材料吸能盒，通过设置不同屈曲强度的侧边，可以有效在受到碰撞后进行溃缩引导，提高吸能稳定性。

3、本发明的复合材料吸能盒，通过加强筋的作用，提高了复合纤维材料在非纤维方向上的刚性，使吸能盒整体满足刚度要求，并使载荷的分布更均匀。

4、本发明的复合材料吸能盒，通过采用连续纤维复合材料，实现了吸能盒的轻量化，降低了车辆的整体质量，提高了车辆的燃油经济性。

附图说明

图1为本发明实施例1的整体结构示意图。

图2为本发明实施例1的整体结构A-A面剖视示意图。

图3为图2中B部分的放大示意图。

图4为本发明实施例2的整体结构示意图。

图5为本发明实施例2的整体结构C-C面剖视示意图。

图6为图2中D部分的放大示意图。

图7为本发明实施例的吸能盒在压溃过程中与传统铝吸能盒的吸能表现对比图。

图8为本发明实施例2中吸能盒受冲击溃缩模拟图。

图9为本发明实施例3的整体结构示意图。

图中标记：

10、吸能盒；

100、主体；110、侧边；111、第一侧边；112、第二侧边；120、折脊；

200、拐角加强部；210、内边；211、第一内边；212、第二内边；

300、加强筋；

20、防撞梁本体；

30、底座。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅附图1-3，本发明的复合材料吸能盒，包括主体100和拐角加强部200。

其中，主体100为多条侧边110围合形成的筒状结构，由延第一方向分布的连续复合纤维构成。在成型技术上，主体100采用连续纤维复合材料通过拉挤工艺成型，纤维含量大于60 wt%，形成以中空的筒状结构。

需要说明的是，为了便于说明本发明吸能盒的结构，首先对空间的方向进行定义，建立正交直角坐标轴，该坐标轴中的X轴方向与第一方向相同，而Y方向和Z方向构成的平面则定义为横截面，与吸能盒的底面或者本实施例所述的截面平行，从而以便于更加清晰地描述本发明具体实施方式。

在侧边110的数量方面，可以根据实际的需要，设置成4/5/6/8等数量。优选的数量为双数，可以更好的进行溃缩引导，特别优选采用4条侧边110，形成的主体100为矩形筒状结构。

拐角加强部200延第一方向连续形成于主体100的内角处。可以理解的，所述内角即相邻两条侧边110连接处所形成的角。与主体100为一体式设计，以提高整体强度和降低生产难度。具体的，本发明的核心在于对拐角加强部200的截面设计，拐角加强部200在垂直于第一方向的截面形状使得本发明的吸能盒就有很好的吸能效果，该截面形状如图2和图3所示，由至少两条内边210构成的齿状线段和侧边110围合形成。

在一些优选的实施例中，内边210可以为直线。可以更优选为内凹弧线，当此内边210采用内凹弧线时，可以为吸能盒的形变溃缩提供更大的空间。

可以理解的，上述的齿状线段也可以是波浪线段，齿状线段的两端部分别连接到一内角的两侧边110，形成围合形状。这个围合形状的内部为实心结构，材质与主体100材质相同。在此结构中，本发明的吸能盒结构通过拐角加强部200中的齿状线段之间或者锯齿线段与侧边之间形成内凹折角。具体的，内边210与侧边110之间形成的第一内凹折角R10，或者是在内边210与内边210之间形成的第二内凹折角R11。优选情况下，第一内凹折角R10和/或第二内凹折角R11的角度可以是为35°~65°之间的任一值。这些第一内凹折角R10和/或第二内凹折角R11能够在吸能盒承受冲击载荷时，折角之间的相互折叠变形形成塑性铰，这种形变通过将冲击动能转换为应变能，完成对冲击动能进行吸收。使得结构从宏观整体上呈现出一种类塑性材料的吸能效果，从而实现了复合纤维材料能够起到类塑性材料的吸能效果，解决了复合纤维材料不适合用于制造吸能盒的问题。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例对本发明吸能盒做了进一步的结构优化，请参见图4~图8。

请参见图4~图6，本实施例的吸能盒结构还包括加强筋300。

该加强筋300设置在主体100内。具体的，加强筋300延第一方向延伸，与主体100优选为一体化设计。如图4和图5所示，从横截面上看，加强筋300呈放射状设计，其由主体100内中心向内角延伸，并与拐角加强部200连接。其将一个内角分隔成两个更小的内角，同时也对拐角加强部200进行了分离。并且，加强筋300还增加结构的传力路径，使结构在受到冲击时，各拐角间能更均匀地传递载荷，有效利用结构的整体强度。

当主体100的侧边110数量为4条时，该加强筋300的横截面则呈X型。其在主体100内实现了对内角区域进行了结构上的分割，帮助形成用于吸能的内凹折角。如图5和图6所示，加强筋300与拐角加强部200的连接面上，使得加强筋300的两个侧面分别和拐角加强部200表面形成了两个内凹折角，分别为第三内凹折角R21、第四内凹折角R22，该第三内凹折角R21、第四内凹折角R22同样可以用于在受冲击时形成塑性铰，优选的，第三内凹折角R21和/或第四内凹折角R22的角度为80°~120°之间的任一值。进一步优选的情况下为90°~110°之间的任一值。

在本实施例中，加强筋300在正常使用条件下增加结构的整体刚度，尤其是非纤维方向的刚度，并增强结构的初始屈曲强度。具体提升可参考图7，图7示意了本发明实施例中的吸能盒在压溃过程中与传统铝吸能盒的吸能表现差异。由图7可以很明显的看出，初始屈曲强度（第一个波峰）显著大于传统铝吸能盒。

进一步的，请继续参照图5和图6，在本实施例中，每个拐角加强部中，用于形成齿状线段的内边210的数量优选为4条，并且被加强筋300分隔成两段，拐角加强部200在两相邻的加强筋300和侧边110之间的部分包括第一内边211和第二内边212。

其中，第一内边211包括与侧边110连接的第一端和与第二内边212连接的第二端；第二内边212包括与加强筋300连接的第一端和与第一内边211连接的第二端。第一内边211与侧边110形成的第一内凹折角R10为35°~65°之间的任一值，进一步优选的，可以为40°~60°之间的任一值。而第二内边212与加强筋300所在面形成的第三内凹折角R21为80°~120°之间的任一值，进一步优选的，可以为90°~110°之间的任一值。

另外，为了提高吸能盒溃缩过程中的稳定性，本实施例对侧边110的屈曲强度进行了调整，使得侧边110包括具有第一屈曲强度的第一侧边111和具有第二屈曲强度的第二侧边112。而且所述第一侧边111和所述第二侧边112间隔设置。从而使溃缩更加容易在弱屈曲强度的侧边110中先发生，起到一定的引导作用。

在矩形筒状主体100的实施方式中，左、右两侧边为第一侧边111，上、下两侧边第二侧边112，在该设置下使吸能盒的左右侧面刚度显著低于上下侧面，这样的刚度梯度导致屈曲变形易于在左右侧面上生成，从而间接起到溃缩引导的作用。

具体的，在屈曲强度的具体设置方式上，可以通过更改侧边110的厚度、增加凸起等方式来实现。如图4和图5所示，本实施例采用了对侧边110沿一定折线进行弯折方式来提高其刚度，进而改善其屈曲表现，其中，该折线的方向与第一方向平行，沿该折线折叠后，将会在侧边110上形成一个折脊120，该折脊120可以有效提高侧边110的刚度，进而提高该侧边的屈曲强度。在进行屈曲强度区分时，可以控制第一侧边111和第二侧边112的折脊120数量，使得第二侧边112的折脊120数量大于第一侧边111的折脊120数量，从而形成屈曲强度上的差异。

在本实施例中，如图4所示，在主体100的上下两侧边110分别设置了一个凹槽，该凹槽沿第一方向延伸，凹陷方向是朝向主体100轴心。在该凹槽下，可以在第二侧边112上形成4条折脊120，有效增大了上下两侧边的刚度。而左右两侧边则是不设置折脊120，也即左右两侧边的折脊120数量为0。在该结构中，收到冲击时，左右两侧更加容易发生屈曲变形。

为了更好地说明该轻量化吸能盒的性能，将用碳纤复合材料制作的该型吸能盒与同外轮廓尺寸（55mm×68mm×130mm）的中空管状铝合金吸能盒进行比较。其中铝合金吸能盒壁厚3mm，整体重量0.26Kg，轻量化吸能盒壁厚2mm，整体重量0.24Kg，减重约8%。从图7中可以看出，碳纤复合材料的吸能盒具有更高的屈曲强度（第一个波峰的高度），意味着在未发生碰撞前，该轻量化吸能盒能提供更强的结构刚度，需要更高的冲击载荷以启动溃缩。随着屈曲的发生，结构能提供的反力逐渐平稳，以曲线下面积作为结构吸收的全部能量，以表征结构的吸能能力，计算得知，复合材料轻型吸能盒的整体吸能能力，相比铝吸能盒，提升11%。

可以理解的，本发明吸能盒截面构型的具体细节尺寸，如凹槽的深度、宽度，吸能盒壁厚，加强筋300壁厚等，可根据不同车型，不同的性能要求做细节调整，只要保证构型的结构特征一致即可。

另外，在一些在非乘用车场景下，例如货车这种吸能盒有更大的尺寸和更高的吸能要求的，可以根据尺寸条件和性能要求拓展吸能盒的截面造型，例如上下端面采用双凹槽，而左右端面为单凹槽，或者增加折角数量，具体的尺寸与构型需要根据仿真分析结果来确定。

本发明通过有限元仿真方法分析，根据优化分析的结果，在满足乘用车的吸能盒性能与尺寸条件要求下，其每个拐角加强部200的最佳的折角数目为4个，结构在收到冲击载荷时的变形效果图如图8所示。冲击发生时，吸能盒首先在侧面发生屈曲变形，在屈曲变形的引导下，整个结构的端面发生溃缩，溃缩区域间折角相互折叠、挤压，空间消失并逐渐失去吸能能力，随后剩余冲击动能继续向结构后方传递，在该溃缩区域的下部侧面，会继续产生新的屈曲变形，并引导该区域的折角继续折叠，并不断重复上述过程，直至整个结构完全失效。

其中拐角加强区通过第一内凹折角R10和第三内凹折角R21的形变吸收了大量的冲击能量。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上，提供了一种防撞梁总成，请参见图9。

一种防撞梁总成，包括吸能盒10、防撞梁本体20和底座30。

其中，底座30可以为直接为车身的一个安装平台，或者是安装在车身骨架上的固定底座。

吸能盒10的数量为两个，均安装在底座30上。安装时，吸能盒10的方向与受冲击方向正对。

另外，防撞梁本体20架设在吸能盒10上。

本实施例中的吸能盒10采用如上所述的复合材料吸能盒。吸能盒10与防撞梁本体20的连接方式为粘接，防撞梁总成的结构如图9所示。另外，也可以通过螺栓连接。

本发明的防撞梁总成，通过采用复合材料吸能盒10，提高了防撞梁总成的吸能性能，提高了车辆的安全性，同时简化了防撞梁总成的结构，保证碰撞吸能效果的同时也达到了车身轻量化的效果。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

虽然对本发明的描述是结合以上具体实施例进行的，但是，熟悉本技术领域的人员能够根据上述的内容进行许多替换、修改和变化、是显而易见的。因此，所有这样的替代、改进和变化都包括在附后的权利要求的精神和范围内。

Claims (13)

1.一种复合材料吸能盒，其特征在于，包括

主体（100），所述主体（100）为多条侧边（110）围合形成的筒状结构，由延第一方向分布的连续复合纤维构成；以及

拐角加强部（200），延第一方向连续形成于所述主体（100）的内角处；

其中，所述拐角加强部（200）在垂直于所述第一方向的截面形状由至少两条内边（210）构成的齿状线段和所述侧边（110）围合形成。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述齿状线段的内凹折角的角度为35°~65°之间的任一值。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述主体（100）内设置有加强筋（300），所述加强筋（300）由所述主体（100）内中心向所述内角延伸，并与所述拐角加强部（200）连接。

4.根据权利要求3所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述加强筋（300）的两侧面与和所述拐角加强部（200）的连接面分别形成夹角为80°~120°之间的任一值。

5.根据权利要求3所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述拐角加强部（200）在两相邻的所述加强筋（300）和所述侧边（110）之间的部分包括第一内边（211）、第二内边（212），所述第一内边（211）包括与侧边（110）连接的第一端和与所述第二内边（212）连接的第二端；所述第二内边（212）包括与所述加强筋（300）连接的第一端和与所述第一内边（211）连接的第二端。

6.根据权利要求5所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述第一内边（211）与所述侧边（110）形成的夹角为35°~65°之间的任一值；所述第二内边（212）与所述加强筋（300）所在面形成的夹角为80°~120°之间的任一值。

7.根据权利要求1~6中任一项所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述内边（210）为直线或者内凹弧线。

8.根据权利要求1~6中任一项所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述侧边（110）包括具有第一屈曲强度的第一侧边（111）和具有第二屈曲强度的第二侧边（112），所述第一侧边（111）和所述第二侧边（112）间隔设置。

9.根据权利要求8所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述第一侧边（111）和/或所述第二侧边（112）沿所述第一方向弯折形成若干沿所述第一方向延伸的折脊（120），且所述第二侧边（112）的折脊（120）数量大于所述第一侧边（111）的折脊（120）数量。

10.根据权利要求9所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述第一侧边（111）的折脊（120）数量为0。

11.根据权利要求1所述的一种复合材料吸能盒，其特征在于，所述主体（100）和所述拐角加强部（200）的复合材料纤维含量≥60 wt%。

12.一种防撞梁总成，包括底座（30）、两个安装在所述底座（30）上的吸能盒（10）和架设在所述吸能盒（10）上的防撞梁本体（20）；其特征在于，所述吸能盒（10）采用权利要求1~9中任一项所述的复合材料吸能盒。

13.根据权利要求12所述的一种防撞梁总成，其特征在于，所述吸能盒（10）与所述防撞梁本体（20）的连接方式为粘接或者是螺栓连接。