CN208698712U - 一种仿牦牛角结构薄壁锥形吸能盒 - Google Patents

Abstract

一种仿牦牛角结构薄壁锥形吸能盒，是由仿生棱纹管、仿生内管、内外层泡沫铝分层管、外层泡沫铝、内层泡沫铝和连接筋组成。仿生棱纹管是基于牦牛角外壳表面沿长度方向条状凸起而设计，且自上而下截面尺寸逐渐变大，具有良好的逐级能量耗散效果。仿生内管、外层泡沫铝、内层泡沫铝和内外层泡沫铝分隔管组合在一起形成泡沫铝填充仿生芯体，该泡沫铝填充芯体分为高密度泡沫铝和低密度泡沫铝两部分，是模仿牦牛角密度沿径向梯度变化的规律而设计。本实用新型将牛角结构中的梯度强度、梯度密度以及表面形态特征应用到薄壁吸能盒的设计中，在碰撞过程中，大幅度地提高了吸能装置的承载能力和吸能特性，同时达到轻量化的目的。

Description

一种仿牦牛角结构薄壁锥形吸能盒

技术领域

本实用新型属于汽车车身结构耐撞性设计领域，涉及一种具有牦牛角结构特征的仿生吸能装置，该部件主要应用于汽车、轮船等交通工具的碰撞能量耗散***中。

背景技术

金属薄壁管作为一种低成本，高性能的吸能元件，广泛应用于汽车、轮船等交通工具吸能装置的设计中。薄壁管在外界载荷作用下能依靠自身结构的屈曲、断裂等破坏形式来吸收和耗散大量碰撞时产生的冲击能量，从而有效保护乘员生命和贵重物品的安全。薄壁管的吸能特性和变形模式不仅与其材料，长度，壁厚等因素密切相关，还与其结构密切相关，所以许多学者在改善薄壁管结构耐撞性方面进行大量研究。在碰撞发生时，薄壁管的吸能特性在很大程度上影决定着汽车耐撞性的能好坏。因而，设计出一种轻质高效并具有良好耐撞性能的薄壁吸能元件对于保障人们生命财产安全，节约能源，促进环保等方面具有重大的实际意义。目前将生物仿生学理论应用到薄壁管的结构设计中还相对较少。在自然界中，某些动物为了抵御天敌或同类的进攻，进化出了攻击和防御的武器，如牛角。牛角的主要生物学功能是牛在进攻和防御过程中来保护自身不受到外界载荷的破坏。

发明内容

本实用新型目的是针对现有技术的不足之处，提供一种仿牦牛角结构薄壁锥形吸能盒，本实用新型能有效的提高车辆碰撞的安全性。

牦牛角是其皮肤的衍生物，宏观上呈圆锥形结构，即牦牛角的横截面自下而上逐渐减小，这契合了杆状结构的强度要求，一支完整的牦牛角能够承受大约9.4KN的外部载荷，能最大可能地实现结构的轻质高效。且牦牛角是一种管状填充结构，主要由外部角质外壳和内部骨芯组成，二者之间由软组织层连接，这使得牦牛角能够承受来自多方向较高的冲击载荷。角质外壳首先发生屈曲变形来抵抗外界环境的破坏，起到主要的承载作用，然而骨芯是多孔的蜂窝状结构，具有很强的能量吸收能力。

牦牛角在结构和功能上与薄壁管有着很大的相似之处。首先功能上的相似性：薄壁管在冲击作用下能依靠自身结构的屈曲、断裂等破坏形式来吸收和耗散大量碰撞时产生的冲击能量，从而避免整体结构的破坏。同样，牦牛可以通过牦牛角在碰撞过程中的微变形吸收冲击载荷来达到进攻和防御目的。其次，结构上相似性：牦牛角主要由角质外壳、内部骨芯和连接两者的软组织层三部分组成，宏观上呈圆锥形管状填充结构。薄壁吸能盒有方形管、圆管、多胞管和锥形管等，且内部会填充多孔材料来提高耐撞性。牦牛角结构和内部骨芯填充与吸能盒设计思路极为相似，牦牛角的性能和结构特征为吸能盒的仿生优化设计提供了新的思路。最后，载荷上的相似性：在汽车碰撞过程中，薄壁吸能盒要承受来自不同方向的撞击载荷达到保护乘员的目的。牦牛在争斗过程中，为了自身保护，牦牛角也要承受来自不同方向的外界载荷。

本实用新型采用如下技术方案。

本实用新型将工程仿生学与结构耐撞性理论相结合，通过相似性分析，选取牦牛角作为薄壁管仿生优化设计的生物原型，采用三维扫描技术提取出牦牛角的外部轮廓，并在逆向工程软件(Studio Geomagic)中提取出决定牦牛角良好力学性能的结构特征和轮廓参数，并应用到薄壁吸能装置的设计中，从而设计出一种具有良好耐撞性能的仿生吸能结构件。

所提取出决定牛角力学性能的结构特征参数为：牛角的角质外壳强度自外向内逐渐增强；内部骨芯的多孔特性是自外向内逐渐增大，密度逐渐减小；外壳表面沿长度方向条状凸起特征。这三个特征对其优良的力学特性有着重要的作用。

本实用新型的仿生棱纹管是基于牦牛角外壳表面沿长度方向条状凸起而设计，且自上而下截面尺寸逐渐变大，具有良好的逐级能量耗散效果。

仿生内管、外层泡沫铝、内层泡沫铝和内外层泡沫铝分层管组合在一起形成泡沫铝填充仿生芯体，该泡沫铝填充芯体分为高密度泡沫铝和低密度泡沫铝两部分，是模仿牦牛角密度沿径向梯度变化的规律而设计。本实用新型将牛角结构中的梯度强度、梯度密度以及表面形态特征应用到薄壁吸能盒的设计中，在碰撞过程中，大幅度地提高了吸能装置的承载能力和吸能特性，同时达到轻量化的目的。

所述多个加强筋均匀的分布在内层圆管和外层圆管之间，起到连接内外圆管的作用。

所述外层仿生棱纹管和仿生内管采用不同硬度的金属材料，其中外层棱纹管为低碳钢，内层仿生内管为AA6061铝合金。所述的构成仿生外壳的外层圆管和内层圆管在硬度上呈现梯度分布，从而模拟牛角外壳从内到外硬度依次增大的梯度分布。

所述外层的仿生棱纹管采用的材料为低碳钢，其屈服强度0.27、密度 7.85×10^{- 6}kg·mm^-3、弹性模量210GPa、泊松比0.3。

所述内层的仿生内管、加强筋和内外层泡沫铝分层管的材料均采用AA6061铝合金，其屈服强度0.25GPa、密度2.7×10^-6kg·mm^-3、弹性模量70GPa、泊松比0.31。

外层泡沫铝为圆环形高密度泡沫铝材料，其密度0.37×10^-6kg·mm^-3、弹性模量1.2GPa、泊松比0.3。

内层泡沫铝为圆形低密度泡沫铝材料，其密度0.25×10^-6kg·mm^-3、弹性模量1.1GPa、泊松比0.28。

本实用新型的有益效果：

将泡沫铝与不同材料的组合管的复合结构填充在薄壁管内部，在碰撞过程中，泡沫铝和棱形结构的共同作用提高了仿生管的强度和刚度，同时使仿生管所受到的冲击载荷在仿生管的横截面上梯度分布，使仿生管的变形相对稳定，褶皱数量较多，大幅度的提高了吸能装置的承载能力和吸能特性。

附图说明

图1是本实用新型的立体示意图。

图2是本实用新型的俯视图。

图3是本实用新型的仰视图。

图4是本实用新型的泡沫铝填充仿生芯体结构示意图。

图5是本实用新型的泡沫铝填充仿生芯体俯视图。

图6是本实用新型的泡沫铝填充仿生芯体仰视图。

图7是本实用新型的仿生棱纹管轴侧视图。

图8是本实用新型的仿生棱纹管俯视图。

具体实施方式

请参阅图1至图8所示，一种仿牦牛角结构薄壁锥形吸能盒，是由仿生棱纹管1、仿生内管2、内外层泡沫铝分层管3、外层泡沫铝5、内层泡沫铝6 和连接筋4组成。仿生棱纹管1是基于牦牛角外壳表面沿长度方向条状凸起而设计，且自上而下截面尺寸逐渐变大，具有良好的逐级能量耗散效果。仿生内管2、外层泡沫铝5、内层泡沫铝6和内外层泡沫铝分层管3组合在一起形成泡沫铝填充仿生芯体，该泡沫铝填充芯体分为高密度泡沫铝和低密度泡沫铝两部分，是模仿牦牛角密度沿径向梯度变化的规律而设计。本实用新型将牛角结构中的梯度强度、梯度密度以及表面形态特征应用到薄壁吸能盒的设计中，能较好实现能量逐级平稳耗散。六个连接筋4等角度均匀地分布在仿生棱纹管1和仿生内管2之间。

如图1所示，所述的仿生棱纹管1、外层泡沫铝5和内层泡沫铝6在强度上呈现三层功能梯度分布，仿生棱纹管1的材料为低碳钢，外层泡沫铝5的材料为高密度泡沫铝，内层泡沫铝6的材料为低密度泡沫铝，由此模拟牦牛角模仿牦牛角密度沿径向梯度变化的规律。

仿生棱纹管1采用的材料为低碳钢，其屈服强度0.27GPa、密度 7.85×10^-6kg·mm^-3、弹性模量210GPa、泊松比0.3。

仿生内管2、内外层泡沫铝分层管3以及连接筋4的材料均采用AA6061 铝合金，其屈服强度0.25GPa、密度2.7×10^-6kg·mm^-3、弹性模量70GPa、泊松比0.31。

外层泡沫铝5，为圆环形高密度泡沫铝材料，其密度0.37×10^-6kg·mm^-3、弹性模量1.2GPa、泊松比0.3。

内层泡沫铝6，为圆形低密度泡沫铝材料，其密度0.25×10^-6kg·mm^-3、弹性模量1.1GPa、泊松比0.28。

Claims (3)

1.一种仿牦牛角结构薄壁锥形吸能盒，其特征在于：是由仿生棱纹管(1)、仿生内管(2)、内外层泡沫铝分层管(3)、外层泡沫铝(5)、内层泡沫铝(6)和连接筋(4)组成，仿生棱纹管(1)自上而下截面尺寸逐渐变大，仿生内管(2)、外层泡沫铝(5)、内层泡沫铝(6)和内外层泡沫铝分层管(3)组合在一起形成泡沫铝填充仿生芯体，多个连接筋(4)等角度均匀地分布在仿生棱纹管(1)和仿生内管(2)之间。

2.根据权利要求1所述的一种仿牦牛角结构薄壁锥形吸能盒，其特征在于：所述的仿生棱纹管(1)的材料为低碳钢，外层泡沫铝(5)的材料为高密度泡沫铝，内层泡沫铝(6)的材料为低密度泡沫铝，使仿生棱纹管(1)、外层泡沫铝(5)和内层泡沫铝(6)在强度上呈现三层功能梯度分布。

3.根据权利要求1所述的一种仿牦牛角结构薄壁锥形吸能盒，其特征在于：所述仿生棱纹管(1)的材料为低碳钢，其屈服强度0.27GPa、密度7.85×10^-6kg·mm^-3、弹性模量210GPa、泊松比0.3；

所述仿生内管(2)、内外层泡沫铝分层管(3)以及连接筋(4)的材料均采用AA6061铝合金，其屈服强度0.25GPa、密度2.7×10^-6kg·mm^-3、弹性模量70GPa、泊松比0.31；

所述的外层泡沫铝(5)为圆环形高密度泡沫铝材料，其密度0.37×10^-6kg·mm^-3、弹性模量1.2GPa、泊松比0.3；

所述的内层泡沫铝(6)为圆形低密度泡沫铝材料，其密度0.25×10^-6kg·mm^-3、弹性模量1.1GPa、泊松比0.28。