CN102700488A - 一种缓冲吸能结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓冲吸能结构，包括中空的金属薄壁结构，并且在中空的薄壁结构中填充轻质金属泡沫材料或金属蜂窝材料，中空的金属薄壁结构与填充的轻质金属多孔材料通过粘结或钎焊固连在一起，形成一个完整的缓冲吸能结构。填充的金属泡沫材料在纵向方向上的密度成梯度变化，填充的金属蜂窝材料在纵向上的孔径尺寸或蜂窝的壁厚成梯度变化。与传统的吸能结构相比，该吸能结构的变形模式更加稳定和吸能的效率更高，有效降低吸能结构的重量，使得整个吸能过程中的冲击力非常平稳，大大提高了吸能结构的碰撞安全性。该结构作为汽车的正碰吸能结构能极大的增加汽车的正碰的安全性，降低人员伤亡。

Description

一种缓冲吸能结构

技术领域

本发明涉及一种吸能结构，尤其涉及一种填充材料的性能沿纵向方向按功能梯度变化的缓冲吸能结构。

背景技术

“安全、节能、环保”是当代汽车发展的三大主题，安全问题即耐撞性问题居于首位。节能与环保则要求结构具有轻质和高效吸能的特性。任何质量的增加都意味着消耗更多的燃料并对环境造成更多的污染。在汽车轻量化问题日益严峻的情况下，如何合理的设计性能良好的缓冲吸能结构以满足汽车的耐撞性要求已成吸能结构设计的一个方向。

由于金属轻质多孔材料具有重量轻，吸能高以及能在一个非常大的变形范围内保持载荷几乎恒定不变等特性而被广泛用作吸能材料。在汽车工业中应用最广泛的多孔材料主要是泡沫材料和蜂窝材料。研究表明将多孔材料填入薄壁结构不仅能增强空心薄壁结构的变形稳定性和改善变形模式，而且能提高空心薄壁结构的能量吸收能力，其吸收的能量较组成它的空心薄壁结构和多孔填充材料分别单独受载情况下吸收的能量总和要高出许多。

轻质多孔材料填充薄壁结构作为能量吸收器在汽车、航空航天、载人飞船的回收、高速列车和轮船的撞击等领域得到了广泛的应用。然而，传统的吸能结构中填充的金属泡沫材料和蜂窝材料的性能是一致的。该种形式的吸能结构在碰撞的初始阶段有一个较高的峰值力，并且在后续的变形过程中，吸能结构常常发生弯曲变形而失稳，大大降低了吸能器的能量吸收能力。同时，传统的吸能结构不利于充分发挥吸能器的吸能潜力，且吸能结构的重量往往较重，不利于结构的轻量化。

本发明从提高吸能结构的能量吸收能力、降低吸能结构的重量以及节约生产的角度出发，提出了一种功能梯度变化的缓冲吸能结构及设计方法。该结构即为在中空的薄壁结构中填充按一定梯度变化的金属泡沫或蜂窝多孔材料。

发明内容

本发明的目的在于解决传统金属薄壁吸能结构单位体积内吸收的能量较小以及组合式结构能量不能高效的吸收且易造成材料不必要的浪费等问题，提出一种功能梯度变化的缓冲吸能结构及设计方法，主要思路是从高效吸能能力和材料合理利用的实际工程角度出发，根据缓冲过程吸能的变化特点将轻质金属蜂窝及金属泡沫等多孔材料根据强度大小的不同合理分布于封闭空间中，形成一种新型缓冲吸能结构。

对于填充轻质泡沫金属多孔材料的缓冲吸能结构来说，泡沫填充薄壁结构的能量吸收能力与填充泡沫的密度密切相关，通常情况下，密度越高，吸收的能量越多。然而，采用高密度的泡沫铝填充金属薄壁结构非常容易导致吸能结构发生整体的弯曲失效，反而降低吸能能力。相对于空心薄壁结构，尽管高密度的铝泡沫填充薄壁结构能显著的增加能量吸收量，但是单位质量吸收的能量反而却比空心薄壁结构的低。因此，本发明根据这种特性，通过填充具有功能梯度变化的泡沫材料可以进一步提高这类结构的耐撞性。为了克服现有技术制造功能梯度泡沫材料的技术难题和高成本问题，本发明将功能梯度泡沫材料沿着长度方向细分成许多层，每一层为均匀泡沫材料，即将具有不同密度（即强度不同）的泡沫金属材料填充于金属薄壁中空结构中，不同密度组合之间通过粘合剂固连在一起。这种技术上的改变不仅能增强空心薄壁结构的变形稳定性和改善变形模式，而且能提高空心薄壁结构的能量吸收能力，其吸收的能量较组成它的空心薄壁结构和泡沫铝分别单独受载情况下吸收的能量总和要高出许多，这样不仅提高吸能能力，而且能保证材料合理利用。同时，在碰撞变形过程中，碰撞力的变化非常平缓，该结构作为汽车的正碰吸能结构能极大的增加汽车的正碰的安全性，降低人员伤亡。

对于填充金属蜂窝状结构的缓冲吸能结构来说，蜂窝填充薄壁结构的能量吸收能力与填充蜂窝结构的几何形状、尺寸等因素密切相关。研究结果，表明蜂窝孔的特征夹角越小，孔壁越厚，碰撞强度越高。这些因素决定了表板局部屈曲和孔格壁板屈曲的临界应力。本发明的思路主要通过改变金属蜂窝状结构的尺寸，即蜂窝结构孔径尺寸或蜂窝的壁厚尺寸并按照一定的梯度变化纵向布置，在保证吸能结构轻量化的基础上达到所需吸能性能，该具有功能梯度变化的结构有利于分级吸收冲击能量，而且能提高空心薄壁结构的能量吸收能力。

本发明与现有技术相比，其显著的优点在于：

该功能梯度变化的组合结构的变形模式更加稳定和吸能的效率更高，能有效降低吸能结构的重量，整个吸能过程中的冲击力非常平稳，大大提高了吸能结构的碰撞安全性。该结构在保证轻量化的基础上可以作为汽车的正碰吸能结构，能够极大的增加汽车的正碰的安全性，降低人员伤亡。

附图说明

图1是本发明的填充泡沫铝材料的圆柱形薄壁吸能结构；

图2是本发明中图1的截面A剖面图；

图3是本发明的填充泡沫铝材料的帽形薄壁截面结构；

图4是本发明的填充蜂窝结构的圆柱形薄壁截面结构；

图5是本发明的图4中截面C-C剖视图；

图6是本发明的填充蜂窝结构的帽形薄壁截面结构。

具体实施方式

具体实施方式一：该实施方式的主要外部结构是一种金属圆柱形中空薄壁结构，填充材料为功能梯度变化的泡沫铝材料，由于现有的技术制造功能梯度泡沫材料的难度大和成本高，所以将填充的功能梯度泡沫材料沿着长度方向细分成许多层，每一层为均匀泡沫材料，这种技术上的改变不仅能增强空心薄壁结构的变形稳定性和改善变形模式，而且能提高空心薄壁结构的能量吸收能力，同时，碰撞力在整个碰撞过程中变化很平缓，能大大提高乘员的安全。

对于每层的均匀泡沫来讲，其应力-应变关系可用Deshpande和Fleck等提出的各向同性本构模型来描述。根据这一模型，泡沫材料的屈服函数定义为：

$\mathrm{\Φ}=\widehat{\mathrm{\σ}}-{\mathrm{\σ}}_y\≤0---\left(1\right)$

式(1)中，Φ表示屈服面，σ_y为屈服应力，

为等效应力，其可以定义为：

$\widehat{\mathrm{\σ}}=\frac{1}{1+{(\mathrm{\α}/3)}^2}({\mathrm{\σ}}_e^2+{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\σ}}_m^2)---\left(2\right)$

式(2)中，σ_e是等效von Mises应力，σ_m是平均应力，参数α控制着屈服面的形状，它是塑性泊松比v_p的函数，定义为：

${\mathrm{\α}}^2=\frac{9(1-2{\mathrm{\υ}}_p)}{2(1+{\mathrm{\υ}}_p)}---\left(3\right)$

材料模型遵循下面的应变强化定侓：

${\mathrm{\σ}}_y={\mathrm{\σ}}_p+\mathrm{\γ}\frac{\widehat{\mathrm{\ϵ}}}{{\mathrm{\ϵ}}_D}+{\mathrm{\α}}_2\mathrm{In}\left[\frac{1}{1-{(\widehat{\mathrm{\ϵ}}/{\mathrm{\ϵ}}_D)}^{\mathrm{\β}}}\right]---\left(4\right)$

其中

为等效应变，σ_p、α₂、γ、ε_D和β为材料本构参数，它们可以表示为泡沫密度ρ_f的函数：

$\left\{\begin{array}{c}({\mathrm{\σ}}_p,{\mathrm{\α}}_2,\mathrm{\γ},\frac{1}{\mathrm{\β}},E_p)=C_0+C_1{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_{f0}}\right)}^{\mathrm{\κ}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_D=-\mathrm{In}\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_f}{{\mathrm{\ρ}}_{f0}}\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

式（5）中，ρ_f为泡沫密度，ρ_f0为泡沫基体材料的密度。C₀、C₁和κ为常数，根据工程经验和相关文献其取值可参见表1。

表1泡沫铝材料参数

从式（5）可以看出，泡沫的密度ρ_f是决定泡沫材料力学性能的主要参数，不同密度的泡沫材料直接导致了材料碰撞性能的不同，最后影响了吸能能力的差异，根据该特性本发明实施方式主要通过改变不同的密度值ρ_f来对功能梯度变化的吸能结构进行合理设计。

该缓冲吸能结构的具体实施过程可以参见图1和图2，主要的外部结构包含金属圆柱形薄壁管1，该圆柱管1通过焊接结构3连接在一起以形成一个中空结构，然后向该中空结构中填充泡沫铝多孔材料2。该实施方式的泡沫铝材料2是根据泡沫铝的不同密度ρ_f按一定的梯度变化合理分布于中空薄壁结构内，依据工程经验、技术特点以及式（5）和表2可知，将填充的泡沫铝的密度区间设置在ρ_f=0.3g/cm³和ρ_f=0.8g/cm³之间较为合理。为了减少初始碰撞时的最大峰值力，碰撞端需选用低密度（比如密度值ρ_f为0.3g/cm³）的金属泡沫铝材料。为了保证整个吸能过程逐级进行，最大程度的吸收能量，填充的泡沫铝材料的密度应逐渐增大，因此，远离碰撞端的的末端选用高密度（密度ρ_f为0.8g/cm³）的金属泡沫铝材料，中间结构的密度值ρ_f应在0.4g/cm³至0.7g/cm³之间进行合理选用。通过这样具有一定密度梯度变化的合理布置以后，即将图2中的填充材料从上到下进行密度分级逐渐递增，可以设计出吸能能力较高的功能梯度材料填充的吸能结构。为了进一步方便说明该实施方式，本发明设置六种密度不同的金属泡沫铝材料进行填充，分别对应图2中的子结构5、6、7、8、9、10。这样填充材料5、6、7、8、9、10对应的密度ρ_f分别是0.3g/cm³，0.4g/cm³，0.5g/cm³，0.6g/cm³，0.7g/cm³，0.8g/cm³。不同密度的填充材料之间通过粘合剂4进行固连，这些不同密度材料的组合结构与金属圆柱形管壁11也通过粘合剂4进行连接成一个整体。

具体实施方式二：（参见图3）本实施方式的外部结构包含金属帽形薄壁结构，图3为该结构横截面，其由U型结构12与腹板13组成并通过焊接结构14相固连，形成一个封闭空腔。其它实施过程与具体实施方式一相同，沿着图3中的横截面B-B的结构与图2中的结构类似。

具体实施方式三：该实施方式与具体实施方式一主要的不同之处在于该内部结构为蜂窝状结构，这种结构的夹芯层是由金属材料制成的一系列六边形孔格，在夹芯层的上下两面再胶接（或钎焊）上较薄的表板。蜂窝结构比其他夹层结构具有更高的强度和刚度，与铆接结构相比，结构效率可提高15％～30％。夹层的蜂窝孔格大小、高矮及其构成格子的薄片厚度等决定表板局部屈曲和孔格壁板屈曲的临界应力。金属蜂窝结构材料来源广泛且成本较低，该组合结构有利于分级吸收冲击能量，而且能提高空心薄壁结构的能量吸收能力，通过优化设计后的组合结构的载荷效率和缓冲效率可以高达90%以上。

研究表明：蜂窝孔孔壁越厚，碰撞强度越高，因此本发明的思路主要是通过改变金属蜂窝状结构的分级尺寸，即蜂窝结构壁厚尺寸并按照一定的梯度变化纵向布置，在保证吸能结构轻量化的基础上达到所需吸能性能。具体实施方式可参见图4和图5，图4为此种缓冲吸能结构横截面，主要包含金属圆柱薄壁管15，该圆柱管15通过焊接结构形成一个封闭空腔，向该空腔中填充金属蜂窝夹芯组合体16，该材料截面呈正六边形蜂窝状，孔壁有单层和双层之分。其几何尺寸描述如下：h为单元孔的尺寸，其值为孔对边的距离；d为蜂窝孔的边长；t为蜂窝孔壁的单层厚度；w为蜂窝孔壁的双层厚度（w=2t）。为了体现功能梯度变化的特点，本发明实施方式将蜂窝结构孔壁的厚度t值分为四种0.05mm，0.1mm，0.2mm，0.4mm进行组合；对应的高度分别设为H₁=50mm，H₂=100mm，H₃=150mm，H₄=200mm，孔尺寸h设为定值17mm，蜂窝孔的边长d也设为定值6mm。这里将蜂窝材料设为铝合金，其本构关系为：

σ=σ₀+σ_tε                    (6)

该蜂窝铝材料的具体材料参数如表2所示。其中，σ₀为初始屈服应力，σ_t塑性应力，ε为塑性应变，E为弹性模型，υ为泊松比，ρ为密度值。

表2蜂窝铝材料参数

蜂窝铝材料经过不同孔壁厚度尺寸的组合之后，可以保证吸能结构具有梯度变化的特点，进而能提高结构的吸能能力。各部件之间（即空隙w）通过金属钎料层17钎焊连接在一起，固连成一个整体；（通过图4中的C-C截面可以看出不同高度尺寸的变化，具体参照图5示意图）。

本实施方式中每组尺寸组合之间通过冷轧金属薄板18相隔开，且每组的高度不同并按照部件的轴向方向同向组合排列，从缓冲吸能结构端部（初始接触端）到结构尾部按照不同尺寸值从小到大的原则进行排列布置。圆柱管15和填充金属蜂窝夹芯组合体16之间通过金属钎料层17钎焊连接在一起，每层不同尺寸组合之间通过冷轧金属薄板18和金属钎料层17钎焊连接成一整体。

具体实施方式四：（参见图6）本实施方式中的主要结构包含金属帽形薄壁结构，由U型结构12与腹板13通过焊点14相固连。其它实施过程与具体实施方式三相同，沿着图6中的横截面D-D的结构与图5的结构类似。

Claims (10)

1.一种缓冲吸能结构，其包括中空的金属薄壁结构，在所述金属薄壁结构中填充泡沫铝多孔材料，其特征在于，所述泡沫铝多孔材料沿长度方向分为多层，每一层为均匀的泡沫铝材料，每层的密度是相同的，不同层的之间通过粘合剂进行固连，并且泡沫铝材料层密度呈一定的梯度变化纵向布置。

2.如权利要求1所述的一种缓冲吸能结构，其特征在于，所述金属薄壁结构包括金属圆柱形薄壁管，所述金属圆柱形薄壁管通过焊接结构连接在一起。

3.如权利要求1所述的一种缓冲吸能结构，其特征在于，所述金属薄壁结构为金属帽形薄壁结构，其由U型结构和腹板13组成并且通过焊接结构固连。

4.如权利要求1-3任一所述的一种缓冲吸能结构，其特征在于，所述金属薄壁结构的碰撞端为较低密度的泡沫铝材料，远离碰撞端的末端为高密度的泡沫铝材料。

5.如权利要求4所述的一种缓冲吸能结构，其特征在于，所述泡沫铝材料层分为六层，它们密度区间为0.3g/cm³至0.8g/cm³，所述碰撞端的泡沫铝材料层密度为0.3g/cm³，所述远离碰撞端的末端的泡沫铝材料层的密度为0.8g/cm³，中间四层的密度为0.4g/cm³至0.7g/cm³之间，各层密度从碰撞端到远离碰撞端的末端逐步递增。

6.一种缓冲吸能结构，其包括中空的金属薄壁结构，在所述金属薄壁结构中金属蜂窝多孔材料，其特征在于，所述金属蜂窝多孔材料沿长度方向分为多层，不同层的之间通过粘合剂进行固连，并且各层之间根据蜂窝结构孔径尺寸或蜂窝的壁厚尺寸按照一定的梯度变化纵向布置。

7.如权利要求6所述的一种缓冲吸能结构，其特征在于，所述金属薄壁结构包括金属圆柱形薄壁管，所述金属圆柱形薄壁管通过焊接结构连接在一起。

8.如权利要求6所述的一种缓冲吸能结构，其特征在于，所述金属薄壁结构为金属帽形薄壁结构，其由U型结构和腹板13组成并且通过焊接结构固连。

9.如权利要求6所述的一种缓冲吸能结构，其特征在于，所述金属蜂窝多孔材料截面呈现正六边形蜂窝状，所述层之间通过冷轧金属薄板和金属钎料层钎焊连接成一个整体。

10.如权利要求9所述的一种缓冲吸能结构，其特征在于，金属蜂窝多孔材料的孔对边的距离均为17mm，孔的边长均为6mm，各层的蜂窝结构孔壁厚度从初始接触端开始分别为0.05mm，0.1mm，0.2mm和0.4mm，对应的高度分别为50mm，100mm，150mm以及200mm。

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