本發(fā)明涉及車輛碰撞安全與智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)的多級(jí)安全防撞梁總成。

背景技術(shù)：

防撞梁是汽車車身的重要組成部分，在“低速碰撞”和“行人保護(hù)”兩方面起著關(guān)鍵性的作用，因而如何改善其抗撞性能(如傳力性能、吸能效率和強(qiáng)度等)是汽車被動(dòng)安全領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。目前的防撞梁主要采用不同的單一截面形狀(矩形、三角形)或填充蜂窩材料(六邊形或八邊形蜂窩結(jié)構(gòu))的方法增大其緩沖及吸能能力。實(shí)際上，事故傷亡統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，在低速碰撞過(guò)程中防撞梁更需要吸收沖擊能量和撞后變形恢復(fù)功能以保護(hù)行人或駕乘人員生命安全，同時(shí)能夠抑制變形的傳遞路徑防止擠壓發(fā)動(dòng)機(jī)或油路系統(tǒng)而引發(fā)二次事故。另外，在高速碰撞過(guò)程中需要將沖擊力合理導(dǎo)向車架并分散給整個(gè)車身，避免車體局部區(qū)域變形過(guò)大而導(dǎo)致乘客傷亡。因此，需要在防撞梁設(shè)計(jì)中既考慮沖擊吸能特性，又要考慮力和變形的傳遞路徑問(wèn)題。

現(xiàn)有的防撞梁普遍采用矩形橫梁填充蜂窩材料或泡沫材料的方式來(lái)提升整體結(jié)構(gòu)的吸能特性，但在變形和沖擊力的抑制或引導(dǎo)方面較為欠缺。例如，申請(qǐng)?zhí)枮?01510076507X的發(fā)明專利給出了一種橫梁內(nèi)部填充有多空件的防撞橫梁結(jié)構(gòu)，單胞結(jié)構(gòu)為六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，盡管該填充材料有效增加了防撞梁的抗彎剛度，但同時(shí)也會(huì)增加行人碰撞的傷害系數(shù)；申請(qǐng)?zhí)枮?01610606876X的發(fā)明專利給出了一種截面為目字形的防撞橫梁和8字形截面吸能盒總成結(jié)構(gòu)，但分析其力學(xué)特性可以發(fā)現(xiàn)，橫梁碰撞變形將直接向后傳遞至吸能盒，并由吸能盒傳遞給車身進(jìn)而造成二次傷害隱患，并且橫梁剛度仍然很大不利于碰撞行人保護(hù)；申請(qǐng)?zhí)枮?016106068609的發(fā)明專利給出的防撞梁為空腔式結(jié)構(gòu)，無(wú)法撞后實(shí)現(xiàn)變形恢復(fù)；申請(qǐng)?zhí)枮?016107502031的發(fā)明專利給出了一種在導(dǎo)柱上布置彈簧的汽車吸能防撞梁，由于在防撞梁上額外增加了螺栓連接盤(pán)、導(dǎo)柱和彈簧等部件，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，并且導(dǎo)柱剛性的碰撞危害性更大。再如，論文“泡沫鋁填充結(jié)構(gòu)防撞梁耐撞性仿真研究”(兵器材料科學(xué)與工程.36(6)，2013.11.)也驗(yàn)證了泡沫填充結(jié)構(gòu)可以有效提升原型防撞梁的屈服力和吸能特性，但填充結(jié)構(gòu)的功能僅限于提升抗彎曲能力，而對(duì)于行人保護(hù)和變形引導(dǎo)與自恢復(fù)方面存在欠缺。文獻(xiàn)綜合調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的汽車防撞梁總成難以同時(shí)滿足行人保護(hù)、低速碰撞吸能和高速碰撞變形傳遞的應(yīng)用需求。因此，需要設(shè)計(jì)既剛又柔，且具有高吸能特性和變形引導(dǎo)與抑制的新型防撞梁總成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有汽車防撞梁總成在行人保護(hù)、低速碰撞吸能和高速碰撞變形傳遞等方面存在的問(wèn)題，而提供一種與現(xiàn)有防撞梁總成填充結(jié)構(gòu)和功能完全不同的新型防撞梁總成，即一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)的多級(jí)安全防撞梁總成。本發(fā)明主要包括弧形防撞橫梁、多穩(wěn)態(tài)吸能盒和安裝板，首次引入具有特定多穩(wěn)態(tài)力學(xué)特性的變尺度多穩(wěn)態(tài)單胞陣列結(jié)構(gòu)作為弧形防撞橫梁和吸能盒的填充材料，且弧形防撞橫梁本身具有雙穩(wěn)態(tài)特性。通過(guò)不同層級(jí)結(jié)構(gòu)的尺度遞變和多個(gè)穩(wěn)定構(gòu)型變換來(lái)達(dá)到高效吸收沖擊能、局部變形引導(dǎo)與抑制和行人保護(hù)的性能需求。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)的多級(jí)安全防撞梁總成，其特征在于：包括弧形防撞橫梁、吸能盒和安裝板，所述弧形防撞橫梁的兩端分別與所述吸能盒相連接，所述吸能盒與所述安裝板相連接；所述弧形防撞橫梁和所述吸能盒內(nèi)部填充有多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)，所述弧形防撞梁、所述吸能盒和所述安裝板組成的整體結(jié)構(gòu)為具有穩(wěn)定構(gòu)型的防撞梁總成。

進(jìn)一步地，所述弧形防撞橫梁具有多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，由陣列式多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)填充，所述弧形防撞橫梁由可動(dòng)外蓋和橫梁固定板組成。

進(jìn)一步地，所述多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)由2個(gè)弧形梁和2個(gè)縱梁首尾依次連接構(gòu)成，多個(gè)單胞之間通過(guò)共用縱梁的方式互連形成層狀結(jié)構(gòu)，各層之間通過(guò)弧形梁中點(diǎn)處的縱梁依次連接形成陣列填充結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)中的弧形梁為具有雙穩(wěn)態(tài)特征的結(jié)構(gòu)，包括拱形梁、余弦梁、曲梁、拱形板、余弦輪廓板和類球缺式的鼓包結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述吸能盒由多層級(jí)雙穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)組成，并與所述弧形防撞橫梁和所述安裝板連接。雙穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)無(wú)需外力，結(jié)構(gòu)能夠保持在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。單胞結(jié)構(gòu)具有雙穩(wěn)態(tài)特性，通過(guò)在不同的層上布置不同尺寸的雙穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)連接，使整個(gè)橫梁結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定保持在多個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

進(jìn)一步地，所述弧形防撞橫梁和所述吸能盒包含的各層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)的幾何尺寸逐漸增加。幾何尺寸變化是有序的，結(jié)構(gòu)有外向內(nèi)尺寸依次增加。

進(jìn)一步地，所述弧形防撞橫梁的外輪廓可為余弦、拱形、弧形或V形結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述可動(dòng)外蓋為開(kāi)口矩形腔體結(jié)構(gòu)，所述可動(dòng)外蓋的頂蓋與其內(nèi)部填充的由所述多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)組成的多胞結(jié)構(gòu)連接，所述可動(dòng)外蓋的側(cè)蓋與其內(nèi)部填充的多胞結(jié)構(gòu)存在間隙，不連接。

進(jìn)一步地，所述橫梁固定板與所述弧形防撞橫梁內(nèi)填充的多胞結(jié)構(gòu)的最外層連接，并與所述吸能盒的一端連接。

進(jìn)一步地，防撞梁總成的材料為輕質(zhì)金屬或復(fù)合材料。

較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明第一次將多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)應(yīng)用于汽車防撞梁總成設(shè)計(jì)中，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、引入具有特定多穩(wěn)態(tài)力學(xué)特性的變尺度多穩(wěn)態(tài)單胞陣列結(jié)構(gòu)作為防撞橫梁和吸能盒的填充材料，使整體防撞梁總成結(jié)構(gòu)具有多種穩(wěn)定構(gòu)型，在不同的碰撞等級(jí)載荷作用下防撞橫梁和吸能盒在多個(gè)穩(wěn)定構(gòu)型之間切換，即將外界沖擊能存儲(chǔ)于自身的結(jié)構(gòu)變形能，不進(jìn)行變形傳遞，有效抑制和阻隔變形向車身的傳遞，避免發(fā)生碰撞事故二次傷害，保護(hù)駕乘人員的生命安全。

2、借助多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的變形存在互逆性，當(dāng)碰撞結(jié)束后，可以借助外力將防撞梁和吸能盒恢復(fù)原貌，恢復(fù)其碰撞吸能保護(hù)特性，降低事故車輛的修復(fù)成本。

3、本發(fā)明率先引入層級(jí)多胞結(jié)構(gòu)變尺度的概念，通過(guò)不同層級(jí)結(jié)構(gòu)的尺度遞變實(shí)現(xiàn)防撞梁整體結(jié)構(gòu)由柔變剛的過(guò)程，達(dá)到保護(hù)行人的目的。

本發(fā)明還具有制造工藝簡(jiǎn)單，多穩(wěn)態(tài)特性可調(diào)，跳轉(zhuǎn)特性穩(wěn)定、重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)，還可適用于空間飛行器返回、建筑安全保護(hù)裝置、儀器避撞保護(hù)系統(tǒng)等各類碰撞安全保護(hù)系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做以簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)的多級(jí)安全防撞梁總成的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3是本發(fā)明防撞橫梁局部剖視圖。

圖4是本發(fā)明多級(jí)多穩(wěn)態(tài)吸能盒的結(jié)構(gòu)剖視圖(尺寸漸變)。

圖5是本發(fā)明可動(dòng)外蓋與內(nèi)部填充多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖6是本發(fā)明防撞橫梁的多級(jí)變形保護(hù)策略圖。

圖7是第一層級(jí)單胞結(jié)構(gòu)的力位移關(guān)系曲線。

圖8是第二層級(jí)單胞結(jié)構(gòu)的力位移關(guān)系曲線。

圖9是第三層級(jí)單胞結(jié)構(gòu)的力位移關(guān)系曲線。

圖10是第四層級(jí)單胞結(jié)構(gòu)的力位移關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)的多級(jí)安全防撞梁總成，包括弧形防撞橫梁100、吸能盒200和安裝板300。所述弧形防撞橫梁100的兩端分別與所述吸能盒200相連接，所述吸能盒200與所述安裝板300相連接；所述弧形防撞橫梁100和所述吸能盒200內(nèi)部填充有多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)101，所述弧形防撞梁100、所述吸能盒200和所述安裝板300組成的整體結(jié)構(gòu)為具有穩(wěn)定構(gòu)型的防撞梁總成。防撞梁總成的材料為輕質(zhì)金屬或復(fù)合材料。

所述弧形防撞橫梁100具有多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，由陣列式多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)101(如圖2所示)填充，所述弧形防撞橫梁100由可動(dòng)外蓋105和橫梁固定板104組成。所述多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)101由2個(gè)弧形梁和2個(gè)縱梁首尾依次連接構(gòu)成，多個(gè)單胞之間通過(guò)共用縱梁的方式互連形成層狀結(jié)構(gòu)，各層之間通過(guò)弧形梁中點(diǎn)處的縱梁依次連接形成陣列填充結(jié)構(gòu)。所述多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)101中的弧形梁為具有雙穩(wěn)態(tài)特征的結(jié)構(gòu)，包括拱形梁、余弦梁、曲梁、拱形板、余弦輪廓板和類球缺式的鼓包結(jié)構(gòu)。如圖3所示，所述多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)101所在的弧形梁Ⅰ、弧形梁Ⅱ102和弧形梁Ⅲ分別為三條不同尺寸的弧形梁，具有不同的穩(wěn)態(tài)特性。

所述吸能盒200由多層級(jí)雙穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)201組成，雙穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)無(wú)需外力，結(jié)構(gòu)能夠保持在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。單胞結(jié)構(gòu)具有雙穩(wěn)態(tài)特性，通過(guò)在不同的層上布置不同尺寸的雙穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)連接，使整個(gè)橫梁結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定保持在多個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，并與所述弧形防撞橫梁100和所述安裝板300連接。

所述弧形防撞橫梁100和所述吸能盒200包含的各層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)的幾何尺寸逐漸增加。幾何尺寸變化是有序的，結(jié)構(gòu)有外向內(nèi)尺寸依次增加。所述弧形防撞橫梁100的外輪廓可為余弦、拱形、弧形或V形結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，雙穩(wěn)態(tài)弧形梁Ⅰ202、雙穩(wěn)態(tài)弧形梁Ⅱ203、雙穩(wěn)態(tài)弧形梁Ⅲ204、雙穩(wěn)態(tài)弧形梁Ⅳ205分別為不同尺寸和具有不同特性的雙穩(wěn)態(tài)弧形梁，可適用于不同的碰撞強(qiáng)度。

如圖5所示，所述可動(dòng)外蓋105為開(kāi)口矩形腔體結(jié)構(gòu)，所述可動(dòng)外蓋105的頂蓋107與其內(nèi)部填充的由所述多層級(jí)多穩(wěn)態(tài)單胞結(jié)構(gòu)101組成的多胞結(jié)構(gòu)連接，所述可動(dòng)外蓋105的側(cè)蓋106與其內(nèi)部填充的多胞結(jié)構(gòu)存在間隙，不連接。所述橫梁固定板104與所述弧形防撞橫梁100內(nèi)填充的多胞結(jié)構(gòu)的最外層連接，并與所述吸能盒200的一端連接。

如圖6所示，是防撞橫梁的多級(jí)變形保護(hù)策略(結(jié)合圖3、4解釋)，當(dāng)碰撞強(qiáng)度較低時(shí)，弧形防撞橫梁100最外層單胞結(jié)構(gòu)快速發(fā)生變形，減緩碰撞強(qiáng)度并將碰撞變形抑制于第一層單胞結(jié)構(gòu)，即一級(jí)碰撞保護(hù)。當(dāng)外界碰撞強(qiáng)度較大時(shí)，第二層單胞快速發(fā)生變形并減緩碰撞強(qiáng)度，抑制碰撞變形向車身傳播，即二級(jí)碰撞保護(hù)。當(dāng)碰撞強(qiáng)度進(jìn)一步增大時(shí)，吸能盒200結(jié)構(gòu)發(fā)生變形吸能，抑制碰撞能量向車身傳播，即三級(jí)碰撞保護(hù)。當(dāng)碰撞強(qiáng)度最大時(shí)，防撞橫梁結(jié)構(gòu)整體發(fā)生變形，以減緩碰撞強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)四級(jí)碰撞保護(hù)。整體而言，結(jié)構(gòu)具有多個(gè)的跳躍閾值力。當(dāng)發(fā)生一級(jí)碰撞時(shí)，碰撞作用力處于一級(jí)單胞的跳躍閾值力和二級(jí)單胞的跳躍閾值力之間，一級(jí)單胞發(fā)生較大變形吸收碰撞能量。隨著碰撞等級(jí)的升高，碰撞作用力升高且超過(guò)了更高層級(jí)單胞的跳躍閾值力，更多厚度較厚的高層級(jí)單胞也發(fā)生跳躍變形吸收能量，結(jié)構(gòu)吸收的碰撞能量也越多。此外，結(jié)構(gòu)在低速碰撞時(shí)發(fā)生多級(jí)大行程彈性形變，平均作用力較小，有利于保護(hù)行人，在碰撞后可恢復(fù)原狀，有利于防撞梁的重復(fù)使用，節(jié)省維修成本。

如圖7所示，是第一層級(jí)單胞結(jié)構(gòu)的力位移關(guān)系曲線，作用力極大值點(diǎn)是單胞結(jié)構(gòu)的跳躍閾值力，作用力極小值點(diǎn)是單胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)保持力。結(jié)構(gòu)的初始位置為第一穩(wěn)態(tài)位置，在外界碰撞力的作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，當(dāng)外界碰撞慣性力達(dá)到跳躍閾值力時(shí)，單胞結(jié)構(gòu)迅速達(dá)到第二穩(wěn)態(tài)位置，并將一部分碰撞能量吸收儲(chǔ)存起來(lái)。同理，圖8-10是防撞橫梁、吸能盒單胞結(jié)構(gòu)的力位移曲線，在不同的碰撞慣性力作用下，單胞結(jié)構(gòu)依次發(fā)生對(duì)應(yīng)的碰撞變形，并存儲(chǔ)碰撞能量，保護(hù)乘員安全。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。