CN110645298B

CN110645298B - 一种具有双重保护的双平台填充结构

Info

Publication number: CN110645298B
Application number: CN201910876625.7A
Authority: CN
Inventors: 马芳武; 梁鸿宇; 王强; 马文婷; 蒲永锋
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2039-09-17
Also published as: CN110645298A

Abstract

本发明公开了一种具有双重保护的双平台填充结构，包括至少四个微元胞，所述微元胞由两个对称的内凹三角胞元体组合构成；所述内凹三角胞元体包括结构相同的第一吸能件、第二吸能件；所述第一吸能件、第二吸能件的顶端和底部均通过一个连接块连接；第一吸能件包括上水平连接部、第一吸能部、第二吸能部、传力部、第三吸能部、下水平连接部；所述微元胞在X向、Y向上依次排列组合，相邻两组微元胞之间形成八边形吸能区，该填充结构利用八边形吸能区即可实现对人与汽车的双向保护功能。

Description

一种具有双重保护的双平台填充结构

技术领域

本发明属于汽车用零部件领域，具体涉及一种具有双重保护的双平台填充结构。

背景技术

防撞梁、吸能盒与前纵梁构成了汽车前端的主要吸能部件；其中，吸能盒在低速碰撞时起到了至关重要的作用。近几年，关于吸能盒的性能提升上出现了很多专利与学术研究，大致可分为两种形式：一种为优化吸能盒的截面形状，一种是向吸能盒内填充轻质吸能材料。中国专利CN209079843U公开了“一种多截面的新型吸能盒”，通过截面的变化实现吸能过程的稳定。中国专利CN109532730A公开了“一种内部特殊填充的新型汽车吸能盒装置，该吸能盒利用六边形薄壁管和内部填充结构来吸收更多的碰撞能量，克服传统吸能盒初始峰值力高，吸能不稳定、不持续且效率较低等问题；中国专利CN110015255A公开了“一种星型胞元结构的吸能盒”，该吸能盒利用星型胞元单元形变来吸能更多的碰撞能量。虽然上述专利均利用填充结构从不同角度提升了吸能盒的吸能性能，但都属于单向保护，即通过吸收更多的能量来缓冲对被撞车辆的损坏。然而，由于汽车发生碰撞存在多样性，包括汽车与汽车之间的碰撞、人与汽车之间的碰撞、非机动车与汽车之间的碰撞，当碰撞形式是人或骑车人与汽车之间这种需要双向保护的时候，现有填充结构的吸能盒则无法满足需求，因为此时不仅要降低汽车的损坏程度，同时还需要保护人或人骑的自行车的安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有双重保护的双平台填充结构，以解决现有吸能盒内的填充结构均是单向保护，当碰撞形式是人或骑车人与汽车之间这种需要双向保护的时候，无法做到既要降低汽车的损坏程度，同时还要保护人的安全的技术难题。

为实现上述目的，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种具有双重保护的双平台填充结构，包括至少四个微元胞，所做的改进是：所述微元胞由两个对称的内凹三角胞元体组合构成；所述内凹三角胞元体包括第一吸能件、第二吸能件；所述第一吸能件与第二吸能件的结构相同，第一吸能件、第二吸能件的顶端和底部均通过一个连接块连接，使其形成一个整体；所述第一吸能件包括上水平连接部、第一吸能部、第二吸能部、传力部、第三吸能部、下水平连接部；其中，所述上水平连接部与第一吸能部连接，所述第一吸能部与第二吸能部连接，第一吸能部与第二吸能部之间的夹角α为135-170°；所述第二吸能部与传力部连接；所述传力部与第三吸能部连接，传力部包括两个水平传力连接部、一个竖直传力连接部，两个所述的水平传力连接部分别与第二吸能部、第三吸能部连接，且通过下面的水平传力连接部将两个对称的内凹三角胞元体连接；所述竖直传力连接部用于与另外一个微元胞连接；所述第三吸能部与下水平连接部连接，第三吸能部与下水平连接部之间的夹角β为140-180°，所述微元胞在X向、Y向上依次排列组合，使相邻两组微元胞之间形成八边形吸能区。

作为本发明的优选，所述内凹三角胞元体还包括第三吸能件、第四吸能件；所述第三吸能件、第四吸能件的结构与第一吸能件的结构相同，第三吸能件和第四吸能件分别固定在连接块另外的两个面上，第三吸能件与第一吸能件之间形成90°夹角，第四吸能件与第二吸能件之间形成90°夹角，通过将微元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合形成双平台填充结构。

作为本发明的优选，所述的双平台填充结构为3D打印的一体式结构，所述内凹三角胞元体上水平面的长度a为4-8mm；所述第一吸能部、第二吸能部、第三吸能部壁厚b相同，均为1-2mm。

本发明所述的双平台填充结构可以通过微元胞二维阵列得到，即只在X向、Y向依次设置微元胞，Z向通过控制微元胞的厚度来进行控制，之后利用微元胞中间形成的一组八边形结构实现双重保护功效，该填充结构可填充在汽车的防撞梁上，这样便可实现双重保护；当所述微元胞上的内凹三角胞元体还包括第三吸能件、第四吸能件时，此时可以通过微元胞三维阵列得到双平台填充结构，即在X向、Y向、Z向均依次设置微元胞，这样在整个填充结构中便会形成两组相互垂直的八边形结构，进一步提高吸能效果，采用三维阵列得到的双平台填充结构适用于填充结构规整的部件中，例如汽车的吸能盒(吸能盒的外蒙皮可以为空心圆柱形柱体、也可以是空心四边形、六边形等多边形柱体)上，使用时可直接将双平台填充结构填充在吸能盒的外蒙皮内即可。

作为本发明的进一步优选，所述微元胞的材料为铝或其他金属材料。

与现有技术相比本发明的优点和有益效果是：

(1)本发明提供的双平台填充结构是通过对现有内凹三角胞元体结构的连接关系进行改进，结果意外的发现采用对称设计的内凹三角胞元体作为微元胞，通过将微元胞在X向、Y向或X向、Y向、Z向依次排列组合，便可使相邻微元胞之间形成八边形吸能区，后续变形中，八边形吸能区过渡到四边形吸能区，从而形成了双平台的切换，实现对人与汽车的双向保护功能。

(2)本发明提供的双平台填充结构在受到碰撞冲击时，整体结构在变形过程中呈现零泊松比效应的变形模式，即材料只沿着轴向冲击方向变形，沿着垂直于冲击方向变形非常小；而且在变形吸能过程中存在一种“双平台”现象，即在冲击开始时很快产生第一平台，随后产生第二平台，第二平台相对于第一平台提高了一定的高度，反力较低的第一平台用于起到保护人或人骑的自行车等，因为较低的持续并稳定的反力对保护人或人骑的自行车十分有利，如果波动较大或者平台值较高，会使人受到较大冲击力或者周期频率的动载荷，从而造成瞬间伤害，第二平台用于保护车体。

(3)本发明提供的双平台填充结构因为呈零泊松比效应的变形模式，因此可将其用在吸能盒上，可实现整个吸能盒的稳定变形，防止材料横向膨胀挤压吸能盒外蒙皮。

(4)本发明提供的双平台填充结构结构简单，可结合3D打印工艺进行制作，采用韧性较好的金属材料作为打印材料，实现汽车轻量化，降低汽车油耗。

附图说明

图1为本发明双平台填充结构在X向、Y向排列组合的整体结构示意图。

图2为本发明双平台填充结构在X向、Y向排列组合的主视图。

图3为本发明双平台填充结构在X向、Y向、Z向排列组合的整体结构示意图。

图4为本发明双平台填充结构在X向、Y向、Z向排列组合的主视图。

图5为内凹三角胞元体的主视图。

图6为填充结构在碰撞冲击过程中的变形过程图。

图7为中低速碰撞工况下进行仿真模拟的力随位移变化曲线图。

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。

参阅图1、图2、图5，本发明提供的一种具有双重保护的双平台填充结构，包括至少四个微元胞，所述微元胞由两个对称的内凹三角胞元体1组合构成；所述内凹三角胞元体包括第一吸能件11、第二吸能件12；所述第一吸能件11与第二吸能件12的结构相同，第一吸能件、第二吸能件的顶端和底部均通过一个连接块15连接，使其形成一个整体；所述第一吸能件包括上水平连接部111、第一吸能部112、第二吸能部113、传力部114、第三吸能部115、下水平连接部116；其中，所述上水平连接部111与第一吸能部112连接，所述第一吸能部112与第二吸能部113连接，第一吸能部与第二吸能部之间的夹角α为135-170°；所述第二吸能部113与传力部114连接；所述传力部114与第三吸能部115连接，传力部包括两个水平传力连接部1141,1143、一个竖直传力连接部1142，两个所述的水平传力连接部分别与第二吸能部、第三吸能部连接，且通过水平传力连接部1143将两个对称的内凹三角胞元体连接；所述竖直传力连接部1142用于与另外一个微元胞连接；所述第三吸能部与下水平连接部连接，第三吸能部与下水平连接部之间的夹角β为140-180°，所述微元胞在X向、Y向上依次排列组合，使相邻两组微元胞之间形成八边形吸能区。

参阅图3、图4，所述内凹三角胞元体还包括第三吸能件13、第四吸能件14；所述第三吸能件13、第四吸能件14的结构与第一吸能件的结构相同，第三吸能件和第四吸能件分别固定在连接块15另外的两个面上，第三吸能件与第一吸能件之间形成90°夹角，第四吸能件与第二吸能件之间形成90°夹角，通过将微元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合形成双平台填充结构。

继续参阅图5，所述的双平台填充结构为3D打印的一体式结构，所述内凹三角胞元体上水平面的长度a为4-8mm；所述第一吸能部112、第二吸能部113、第三吸能部115的壁厚b相同，均为1-2mm。

本发明所述的双平台填充结构填充在吸能盒上时，填充层数一般为4-6层，C与L的尺寸由吸能盒总体尺寸与填充层数决定。

参阅图6、图7，本发明提供的双平台填充结构在受到碰撞冲击时，内部填充结构呈现零泊松比效应的变形模式，即材料只沿着轴向冲击方向变形，沿着垂直于冲击方向变形非常小；另外，通过观察中低速碰撞工况下冲击过程中的力随位移变化曲线，可以观察到：内部结构在变形吸能过程中，存在一种“双平台”现象，在冲击开始很快产生第一平台，随后产生了第二平台，第二平台相对于第一平台提高了一定的高度H，反力较低的第一平台用于起到保护人或人骑的自行车等，较低的持续并稳定的反力十分有利，如果波动较大或者平台值较高，会使人受到较大冲击力或者周期频率的动载荷，从而造成瞬间伤害。同时，也要考虑到对车体的保护，因为曲线包围的面积越大，吸收的能量就越多，车体受到的损坏程度就会越小，因此，第二平台的出现主要保护车体，第二平台较高的平台值有利于结构变形吸收更多的能量。

工作原理：

通过变形过程图我们可以发现：在冲击过程中，呈现整体的均匀变形状态，首先逐层进行左右胞壁的收缩，使得层间八边形结构的吸能区变成了四边形结构的吸能区，然后分别在冲击端与固定端形成变形带，进行交替变形压溃；其中，第一平台区主要是层间八边形变形特征导致的，第二平台区是由层间四边形变形特征导致的，因此实现了这种长而稳定的“双平台”现象。

Claims

1.一种具有双重保护的双平台填充结构，包括至少四个微元胞，其特征在于：所述微元胞由两个对称的内凹三角胞元体组合构成；所述内凹三角胞元体包括第一吸能件、第二吸能件；所述第一吸能件与第二吸能件的结构相同，第一吸能件与第二吸能件之间的夹角为180°，第一吸能件、第二吸能件的顶端和底部均通过一个连接块连接，使其形成一个整体；所述第一吸能件包括上水平连接部、第一吸能部、第二吸能部、传力部、第三吸能部、下水平连接部；其中，所述上水平连接部与第一吸能部连接，所述第一吸能部与第二吸能部连接，第一吸能部与第二吸能部之间的夹角α为135-170°；所述第二吸能部与传力部连接；所述传力部与第三吸能部连接，传力部包括两个水平传力连接部、一个竖直传力连接部，两个所述的水平传力连接部分别与第二吸能部、第三吸能部连接，且通过下面的水平传力连接部将两个对称的内凹三角胞元体连接；所述竖直传力连接部用于与另外一个微元胞连接；所述第三吸能部与下水平连接部连接，第三吸能部与下水平连接部之间的夹角β为140-180°，所述微元胞在X向、Y向上依次排列组合，使相邻两组微元胞之间形成八边形吸能区。

2.根据权利要求1所述的一种具有双重保护的双平台填充结构，其特征在于，所述内凹三角胞元体还包括第三吸能件、第四吸能件；所述第三吸能件、第四吸能件的结构与第一吸能件的结构相同，第三吸能件和第四吸能件分别固定在连接块另外的两个面上，第三吸能件与第一吸能件之间形成90°夹角，第四吸能件与第二吸能件之间形成90°夹角，通过将微元胞在X向、Y向、Z向上依次排列组合形成双平台填充结构。

3.根据权利要求1所述的一种具有双重保护的双平台填充结构，其特征在于，所述的双平台填充结构为3D打印的一体式结构，所述内凹三角胞元体上水平面的长度a为4-8mm；所述第一吸能部、第二吸能部、第三吸能部壁厚b相同，均为1-2mm。