CN111828517B - 一种分形式梯度帽形复合结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种分形式梯度帽形复合结构，包括：平面区、过渡区以及分形区；所述平面区的帽顶为平直面；所述过渡区连接在平面区和分形区之间，实现平面区帽顶与分形区的帽顶在几何构型上的连续过渡；所述分形区的帽顶由外向内为逐渐减缓的波浪形几何形状的分形结构；所述平面区、过渡区和分形区分别由骨架式复合三明治结构板制成，所述骨架式复合三明治结构板由内外平板及中间骨架夹层组成；所述平面区、过渡区以及分形区所包围的帽形包围空间内分别填充扇形蜂窝结构；所述扇形蜂窝结构由扇形蜂窝单元组成。上述的复合结构能够提高帽形梁的多重耐撞性能，最大程度的提高乘员的安全保障。
Description
技术领域
本发明涉及车辆轻量化的防护、吸能领域，是一种分形式梯度帽形复合结构。
背景技术
近年来，交通运输产业日进趋近于多样化、高速化的发展趋势，其人员的安全保障工作变得日益繁重，高速化带来的安全防护问题日益突出。其次，在安全防护问题上，主要分为主动防护及被动防护，在主动防护灵敏度下降甚至失效时，被动防护就显得尤为重要。因此，在当前交通运输产品中需要更加稳定、高效的结构设计使其防护效果大大提高。
当前，帽形结构广泛应用于车辆的前纵梁、B柱中，以在碰撞过程中能够吸收更多的能量却有更小的峰值冲击力，对乘员的安全达到切实保障，针对于当前的帽形结构，或者通过改变厚度的方法、或者改变材料的方法、亦或者通过各种复合的方式来提高帽形梁的耐撞性能，皆存在结构单一、碰撞中的变形容易失稳、碰撞瞬间受力较大、对材料的要求较高等一系列问题，不能够很好的进一步加强帽形结构的耐撞性能。
分形结构能够使结构拥有更加优异的性能，能够通过较小的结构变化及材料损耗来提高结构材料的力学性能，而在帽形内部进一步填充能更加充分利用空间结构。“三明治”复合结构能够使材料在原有性能的基础上进一步实现轻量化，较小材料损耗和动力损耗。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种新颖的基于分形式设计的梯度化帽形复合结构，通过对整体结构平板帽形的多次折弯分形、对内部结构的骨架式复合设计、并且在帽形内部填充蜂窝扇型结构，使之有更好的变形模式，更低的质量，进一步提高帽形梁的多重耐撞性能，最大程度的提高乘员的安全保障。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种分形式梯度帽形复合结构，包括：平面区、过渡区以及分形区；
所述平面区的帽顶为平直面；所述过渡区连接在平面区和分形区之间，实现平面区帽顶与分形区的帽顶在几何构型上的连续过渡；
所述分形区的帽顶由外向内为逐渐减缓的波浪形几何形状的分形结构；
所述平面区、过渡区和分形区分别由骨架式复合三明治结构板制成，所述骨架式复合三明治结构板由内外平板及中间骨架夹层组成；所述平面区、过渡区以及分形区所包围的帽形包围空间内分别填充扇形蜂窝结构；所述扇形蜂窝结构由扇形蜂窝单元组成。
在一较佳实施例中：所述逐渐减缓的波浪形几何形状，其每次形状的缩减为一周期，并且每次缩减为上一周期的1/2。
在一较佳实施例中：每个周期的截面内有一条曲线与连接在曲线两端的两个圆角组成；第一周期的圆角半径为R，曲线的直线长度为i；第二周期的圆角半径为1/2R，曲线的直线长度为1/2i；第二周期的圆角半径为1/4R，曲线的直线长度为1/4i；依次类推直至所述逐渐减缓的波浪形几何形状与中轴线重合。
在一较佳实施例中：所述内外平板包括平面部分、以及设置平面部分朝向骨架夹层的骨架部分；所述平面部分用多材料混合编织而成，所述骨架部分包括阵列设置的多个骨架，各个骨架的底面顶点嵌入平面部分之中。
在一较佳实施例中：所述骨架夹层分为上层和下层，上层和下层沿着复合三明治结构板的长度方向对称设置；上层和下层分别包括阵列设置的多个骨架。
在一较佳实施例中：所述骨架包括燕尾形片和两个第一三角形片和两个第二三角形片；所述燕尾形片为所述骨架的底面；
其中第一三角形片的一侧边与燕尾形片的长侧边连接，另一个侧边与另一个第一三角形片的同一侧边连接；
其中第二三角形片的一侧边与燕尾形片的短侧边连接，另一个侧边与另一个第二三角形片的同一侧边连接。
在一较佳实施例中：内板和外板的骨架同向设置；上层的骨架与外板的骨架、下层的骨架和内板的骨架分别反向设置。
在一较佳实施例中：内板和外板的骨架反向设置；所述上层的骨架嵌入外板的骨架之间的空隙、下层的骨架嵌入内板的骨架。
在一较佳实施例中：所述扇形蜂窝结构多个扇形蜂窝单元交错组成；
所述扇形蜂窝单元为顶面六边形及末端为直线的类锥形结构，即顶面从上至下由六边形缩减为一直线，侧壁为大小逐渐缩减的三角形结构；
所述侧面的下端设置有卡口，用于与下层的所述扇形蜂窝单元连接；所述侧壁设置有镂空开口。
在一较佳实施例中：所述平面区、过渡区以及分形区按照平面区-过渡区-分形区的顺序单向配置；
或者，所述平面区、过渡区以及分形区按照平面区-过渡区-分形区-过渡区-平面区的顺序双向配置形式。
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
1.多构型连续式梯度设计，提高防护稳定性，优化耐撞性能。
通过过渡区实现平面与分形构型之间的渐进过渡，将平面区减缓冲击力、分形区加大吸能效果两大特性的相互结合实现连续过渡，优化变形模式，提高碰撞过程中的变形稳定性。分形区将结构帽顶部分的几何形状进行渐进式分形处理，相比于帽顶为平面的结构提高了抗弯刚度等力学性能，提高吸能效果，优化耐撞性。
2.扇形蜂窝填充结构，提高吸能效率。
帽形内部扇形蜂窝结构实现轻量化的同时起到二次吸能的效果。每个单元通过三角形架构出的六边形与直线混合构型，充分发挥不同几何的优异特性的同时实现了轻量化；扇形配置使结构能够承受并吸收复杂的受力环境，优化力学性能，与帽形结构共同实现双重吸能的效果。
3.骨架式复合结构，多棱角诱导优化变形模式，实现轻量化。
骨架结构由多片三角形及燕尾形金属薄片组成，内部空心，实现轻量化。骨架间连接紧密，首尾相接，上下切合，由于中间夹层内外平板的骨架之间存在微小空隙，受力时各个部分之间的棱角产生微小错动，提供了多个方向的诱导变形，使变形模式得到优化。该结构能够根据过渡区及分形区的结构进行尺寸调整，适应分形的尺寸需求，实现更好传递力的效果，提高结构力学性能。
多材料混合编织，发挥材料自身特性，优化力学性能，提高材料利用效率。
骨架式三明治复合结构中内外平板的平面结构由多种材料混合编织而成，其骨架结构的底面顶点嵌入到平板交叉产生的节点中；多种材料的混合，能够使材料在不同方向上发挥巨大的潜力，根据不同方向的受力选择合适的材料，多种混合编织，提高材料的利用效率。
大尺度设计与小尺度结构的的双尺度设计，提升整体耐撞性能。
分形与扇形填充设计保证了大尺度上的碰撞效益，内部结构保证了变形的稳定性，实现轻量化。双尺度设计，即大尺度结构的分形与扇形填充设计和小尺度下内部骨架结构的结合使材料和结构能够最大程度的发挥自身优势，提高碰撞安全性。
附图说明
图1为结构的构成及帽形结构组成形式示意图；
图2为分形式梯度帽形结构中分形区截面示意图；
图3为骨架式三明治复合结构组成示意图；
图4为骨架式三明治复合结构平板组成示意图；
图5为扇形蜂窝结构整体及单元示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对发明进行详细说明。
图1(a)为一种分形式梯度帽形复合结构的组成示意图，由外部帽形结构1及其包围的扇形蜂窝结构2组成；(b)图为分形式梯度帽形结构的三维示意图，按照帽顶的几何构型一个结构主要由三个部分组成：平面区11、过渡区12、分形区13。
平面区11的帽顶部分为当前常见的平直面，能够减缓冲击力的持续增加。
过渡区12的主要作用是防止几何变化不连续带来的应力集中及受力突变的情况。实现平面区11与分形区13的渐进分形的连续过渡，通过电脑软件生成由平面构型渐进演化为分形构型的平面。
分形区13的帽顶部分由外向内为逐渐减缓的波浪形几何形状的分形结构，反复弯曲的波浪形帽顶相比于帽顶为平面的结构提高了抗弯刚度等力学性能，有益于提供更好的变形模式，更大的能量吸收。
上述的分形式梯度帽形复合结构主要配置形式有：(a)平面区-过渡区-分形区的单向配置形式，主要运用于承担轴向碰撞冲击；(b)平面区-过渡区-分形区-过渡区-平面区的双向配置形式，主要运用于承担横向冲击，平面区位于两端，分形区位于中间承受载荷。
图2为帽形结构中分形区的截面示意图。分形区13由内向外为逐渐减缓的波浪形几何形状，每次形状的缩减为一周期，每次缩减为上一周期的1/2，即如图中所示经历了5次形状缩减，每个周期截面内有一条曲线与两个圆角组成。假设最***的圆角半径为R，曲线的直线长度为i，直线与竖直方向夹角为θ(此角度在分形过程中保持不变)，其中R，i为任意常数，可根据实际情况做出具体尺寸。设最***为第一周期31，即第一周期的圆角半径为R，直线垂直距离为i；第二周期32，为第一周期几何构型的一半，即圆角半径为图4中所示的1/2R，直线垂直长度为1/2i；第三周期33，为第二周期几何构型的一半，即圆角半径为图4中所示的1/4R，直线垂直长度为1/4i，进而第三周期33，第四周期34及第五周期35依次类推直至与中轴线重合。
所述平面区11、过渡区12和分形区13分别由骨架式复合三明治结构板制成，所述骨架式复合三明治结构板由内外平板及中间骨架夹层组成；所述平面区、过渡区以及分形区所包围的帽形包围空间内分别填充扇形蜂窝结构；所述扇形蜂窝结构由扇形蜂窝单元组成。
内平板与外平板类似，但在编织结构的外层增加了展开式结构，该结构能在守到力的作用时向外侧展开形成多胞结构。
图3为骨架式三明治复合结构组成示意图。在帽形内部的组成上，提供了一种骨架式三明治复合结构，复合结构由外平板41、中间夹层42及内平板43三部分组成。骨架结构412由多片三角形薄片及底面的燕尾形片4121组成，内部镂空，实现了轻量化。具体来说，所述燕尾形片4121为所述骨架的底面；其中第一三角形片的一侧边与燕尾形片4121的长侧边连接，另一个侧边与另一个第一三角形片的同一侧边连接；其中第二三角形片的一侧边与燕尾形片4121的短侧边连接，另一个侧边与另一个第二三角形片的同一侧边连接。
外平板41、内平板43由多材料交叉编织而成的平面平板411及通过平板交叉产生的节点中的骨架结构组成。中间夹层42为两层对称的骨架结构以燕尾形片4121为底面相互连接；内外平板骨架排列方向一致，中间夹层与平板上的骨架排列方向相反。由于中间夹层与内外平板的骨架之间存在微小空隙，受力时，各个骨架之间的棱角产生微小错动，提供了多个方向的诱导变形，提高结构的力学性能。
图4为骨架式三明治复合结构平板组成示意图。内外平板的组成方式完全相同，外平板和内平板采用两种材料混合编织而成，即可采用钢材作为轴向材料4111、采用铝材作为横向材料4112。其骨架结构底面顶点嵌入到平板交叉产生的节点中，图5箭头所示；骨架结构的具体尺寸由编织结构的交叉节点所决定。多种材料的混合编织，可根据不同区域几何调整编织尺寸大小，如在分形区的编织交叉点较为密集，可根据不同方向受力选择合适的材料，提高材料利用效率。
本实施例中，所述平面区11、过渡区12以及分形区13所包围的帽形包围空间内分别填充扇形蜂窝结构；所述扇形蜂窝结构2由扇形蜂窝单元21交错组成。图5为扇形蜂窝结构2整体及单元示意图。扇形蜂窝单元21的顶面六边形及末端为直线的类锥形结构，即顶面从上至下由六边形缩减为一直线，侧壁为大小逐渐缩减的三角形结构组成，实现轻量化。每一个扇形蜂窝单元21可通过3D打印的方式形成，通过扇形蜂窝单元21底部的卡口22可以实现每层单元间的连接定位，通过镂空的三角形的对应粘贴能够实现不同层之间交错排布的扇形结构，扇形结构能够与帽形结构的各区域完美贴合，充分利用空间结构,平面区、分形区的填充结构分别如图5(c)、(d)所示。
上述的扇形蜂窝结构2，在结构上通过每个顶点进行点与点嵌合、***的可拆分连接，无需使用额外的焊接、胶接等方式。蜂窝扇形结构每个单元可通过3D打印的方式形成，单元底部的卡口可以实现每层单元间的连接定位，通过镂空三角形的对应粘贴能够实现不同层之间交错排布的扇形结构，扇形结构能够与帽形结构的各区域完美贴合而帽形结构在制造上均可由平板进行一体式或分体式冲压形成。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。。
Claims (2)
1.一种分形式梯度帽形复合结构，其特征在于包括：平面区、过渡区以及分形区；
所述平面区的帽顶为平直面；所述过渡区连接在平面区和分形区之间，实现平面区帽顶与分形区的帽顶在几何构型上的连续过渡；
所述分形区的帽顶由外向内为逐渐减缓的波浪形几何形状的分形结构；
所述平面区、过渡区和分形区分别由骨架式复合三明治结构板制成，所述骨架式复合三明治结构板由内外平板及中间骨架夹层组成；所述平面区、过渡区以及分形区所包围的帽形包围空间内分别填充扇形蜂窝结构；所述扇形蜂窝结构由扇形蜂窝单元组成；
所述逐渐减缓的波浪形几何形状，其每次形状的缩减为一周期，并且每次缩减为上一周期的1/2；每个周期的截面内有一条曲线与连接在曲线两端的两个圆角组成；第一周期的圆角半径为R，曲线的直线长度为i；第二周期的圆角半径为1/2R，曲线的直线长度为1/2i；第二周期的圆角半径为1/4R，曲线的直线长度为1/4i；依次类推直至所述逐渐减缓的波浪形几何形状与中轴线重合；
所述内外平板包括平面部分、以及设置平面部分朝向骨架夹层的骨架部分；所述平面部分用多材料混合编织而成，所述骨架部分包括阵列设置的多个骨架，各个骨架的底面顶点嵌入平面部分之中；
所述骨架夹层分为上层和下层，上层和下层沿着复合三明治结构板的长度方向对称设置；上层和下层分别包括阵列设置的多个骨架；
所述骨架包括燕尾形片和两个第一三角形片和两个第二三角形片；所述燕尾形片为所述骨架的底面；
其中第一三角形片的一侧边与燕尾形片的长侧边连接，另一个侧边与另一个第一三角形片的同一侧边连接；
其中第二三角形片的一侧边与燕尾形片的短侧边连接，另一个侧边与另一个第二三角形片的同一侧边连接；
内板和外板的骨架同向设置；上层的骨架与外板的骨架、下层的骨架和内板的骨架分别反向设置；
内板和外板的骨架反向设置；所述上层的骨架嵌入外板的骨架之间的空隙、下层的骨架嵌入内板的骨架；
所述扇形蜂窝结构多个扇形蜂窝单元交错组成；
所述扇形蜂窝单元为顶面六边形及末端为直线的类锥形结构，即顶面从上至下由六边形缩减为一直线，侧壁为大小逐渐缩减的三角形结构；
所述侧壁的下端设置有卡口，用于与下层的所述扇形蜂窝单元连接；所述侧壁设置有镂空开口。
2.根据权利要求1所述的一种分形式梯度帽形复合结构，其特征在于：所述平面区、过渡区以及分形区按照平面区-过渡区-分形区的顺序单向配置；
或者，所述平面区、过渡区以及分形区按照平面区-过渡区-分形区-过渡区-平面区的顺序双向配置形式。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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| Publication number | Publication date |
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