[發明專利]一種緩沖吸能結構

有效

• 申請號: 201210192659.2
• 申請日: 2012-06-12
• 公開（公告）號: CN102700488A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 孫光永;李光耀;徐峰祥;方劍光
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: B60R19/22
• 分類號: B60R19/22
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 王慶海

技術領域

本發明涉及一種吸能結構，尤其涉及一種填充材料的性能沿縱向方向按功能梯度變化的緩沖吸能結構。

背景技術

“安全、節能、環?！笔钱敶嚢l展的三大主題，安全問題即耐撞性問題居于首位。節能與環保則要求結構具有輕質和高效吸能的特性。任何質量的增加都意味著消耗更多的燃料并對環境造成更多的污染。在汽車輕量化問題日益嚴峻的情況下，如何合理的設計性能良好的緩沖吸能結構以滿足汽車的耐撞性要求已成吸能結構設計的一個方向。

由于金屬輕質多孔材料具有重量輕，吸能高以及能在一個非常大的變形范圍內保持載荷幾乎恒定不變等特性而被廣泛用作吸能材料。在汽車工業中應用最廣泛的多孔材料主要是泡沫材料和蜂窩材料。研究表明將多孔材料填入薄壁結構不僅能增強空心薄壁結構的變形穩定性和改善變形模式，而且能提高空心薄壁結構的能量吸收能力，其吸收的能量較組成它的空心薄壁結構和多孔填充材料分別單獨受載情況下吸收的能量總和要高出許多。

輕質多孔材料填充薄壁結構作為能量吸收器在汽車、航空航天、載人飛船的回收、高速列車和輪船的撞擊等領域得到了廣泛的應用。然而，傳統的吸能結構中填充的金屬泡沫材料和蜂窩材料的性能是一致的。該種形式的吸能結構在碰撞的初始階段有一個較高的峰值力，并且在后續的變形過程中，吸能結構常常發生彎曲變形而失穩，大大降低了吸能器的能量吸收能力。同時，傳統的吸能結構不利于充分發揮吸能器的吸能潛力，且吸能結構的重量往往較重，不利于結構的輕量化。

本發明從提高吸能結構的能量吸收能力、降低吸能結構的重量以及節約生產的角度出發，提出了一種功能梯度變化的緩沖吸能結構及設計方法。該結構即為在中空的薄壁結構中填充按一定梯度變化的金屬泡沫或蜂窩多孔材料。

發明內容

本發明的目的在于解決傳統金屬薄壁吸能結構單位體積內吸收的能量較小以及組合式結構能量不能高效的吸收且易造成材料不必要的浪費等問題，提出一種功能梯度變化的緩沖吸能結構及設計方法，主要思路是從高效吸能能力和材料合理利用的實際工程角度出發，根據緩沖過程吸能的變化特點將輕質金屬蜂窩及金屬泡沫等多孔材料根據強度大小的不同合理分布于封閉空間中，形成一種新型緩沖吸能結構。

對于填充輕質泡沫金屬多孔材料的緩沖吸能結構來說，泡沫填充薄壁結構的能量吸收能力與填充泡沫的密度密切相關，通常情況下，密度越高，吸收的能量越多。然而，采用高密度的泡沫鋁填充金屬薄壁結構非常容易導致吸能結構發生整體的彎曲失效，反而降低吸能能力。相對于空心薄壁結構，盡管高密度的鋁泡沫填充薄壁結構能顯著的增加能量吸收量，但是單位質量吸收的能量反而卻比空心薄壁結構的低。因此，本發明根據這種特性，通過填充具有功能梯度變化的泡沫材料可以進一步提高這類結構的耐撞性。為了克服現有技術制造功能梯度泡沫材料的技術難題和高成本問題，本發明將功能梯度泡沫材料沿著長度方向細分成許多層，每一層為均勻泡沫材料，即將具有不同密度（即強度不同）的泡沫金屬材料填充于金屬薄壁中空結構中，不同密度組合之間通過粘合劑固連在一起。這種技術上的改變不僅能增強空心薄壁結構的變形穩定性和改善變形模式，而且能提高空心薄壁結構的能量吸收能力，其吸收的能量較組成它的空心薄壁結構和泡沫鋁分別單獨受載情況下吸收的能量總和要高出許多，這樣不僅提高吸能能力，而且能保證材料合理利用。同時，在碰撞變形過程中，碰撞力的變化非常平緩，該結構作為汽車的正碰吸能結構能極大的增加汽車的正碰的安全性，降低人員傷亡。

對于填充金屬蜂窩狀結構的緩沖吸能結構來說，蜂窩填充薄壁結構的能量吸收能力與填充蜂窩結構的幾何形狀、尺寸等因素密切相關。研究結果，表明蜂窩孔的特征夾角越小，孔壁越厚，碰撞強度越高。這些因素決定了表板局部屈曲和孔格壁板屈曲的臨界應力。本發明的思路主要通過改變金屬蜂窩狀結構的尺寸，即蜂窩結構孔徑尺寸或蜂窩的壁厚尺寸并按照一定的梯度變化縱向布置，在保證吸能結構輕量化的基礎上達到所需吸能性能，該具有功能梯度變化的結構有利于分級吸收沖擊能量，而且能提高空心薄壁結構的能量吸收能力。

本發明與現有技術相比，其顯著的優點在于：

該功能梯度變化的組合結構的變形模式更加穩定和吸能的效率更高，能有效降低吸能結構的重量，整個吸能過程中的沖擊力非常平穩，大大提高了吸能結構的碰撞安全性。該結構在保證輕量化的基礎上可以作為汽車的正碰吸能結構，能夠極大的增加汽車的正碰的安全性，降低人員傷亡。

附圖說明

圖1是本發明的填充泡沫鋁材料的圓柱形薄壁吸能結構；

圖2是本發明中圖1的截面A剖面圖；