一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成制造技术

本发明专利技术提供一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，包括弧形防撞横梁、吸能盒和安装板，弧形防撞横梁的两端分别与吸能盒相连接，吸能盒与安装板相连接；弧形防撞横梁和吸能盒内部填充有多层级多稳态单胞结构，弧形防撞梁、吸能盒和安装板组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。本发明专利技术引入具有特定多稳态力学特性的变尺度多稳态单胞阵列结构作为关键填充材料，使防撞梁和吸能盒的整体和局部结构都具有多稳定构型变换能力，并且借助层级尺度递变特性实现由柔变刚的功能，在不同的碰撞等级载荷作用下通过不同稳定构型之间切换将外界冲击能转变为自身变形能，不进行变形传递，有效抑制和阻隔变形向车辆其它部位传递，并减缓碰撞强度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成
本专利技术涉及车辆碰撞安全与智能结构领域，尤其涉及一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成。
技术介绍
防撞梁是汽车车身的重要组成部分，在“低速碰撞”和“行人保护”两方面起着关键性的作用，因而如何改善其抗撞性能(如传力性能、吸能效率和强度等)是汽车被动安全领域的研究热点问题。目前的防撞梁主要采用不同的单一截面形状(矩形、三角形)或填充蜂窝材料(六边形或八边形蜂窝结构)的方法增大其缓冲及吸能能力。实际上，事故伤亡统计分析结果表明，在低速碰撞过程中防撞梁更需要吸收冲击能量和撞后变形恢复功能以保护行人或驾乘人员生命安全，同时能够抑制变形的传递路径防止挤压发动机或油路系统而引发二次事故。另外，在高速碰撞过程中需要将冲击力合理导向车架并分散给整个车身，避免车体局部区域变形过大而导致乘客伤亡。因此，需要在防撞梁设计中既考虑冲击吸能特性，又要考虑力和变形的传递路径问题。现有的防撞梁普遍采用矩形横梁填充蜂窝材料或泡沫材料的方式来提升整体结构的吸能特性，但在变形和冲击力的抑制或引导方面较为欠缺。例如，申请号为201510076507X的专利技术专利给出了一种横梁内部填充有多空件的防撞横梁结构，单胞结构为六边形蜂窝结构，尽管该填充材料有效增加了防撞梁的抗弯刚度，但同时也会增加行人碰撞的伤害系数；申请号为201610606876X的专利技术专利给出了一种截面为目字形的防撞横梁和8字形截面吸能盒总成结构，但分析其力学特性可以发现，横梁碰撞变形将直接向后传递至吸能盒，并由吸能盒传递给车身进而造成二次伤害隐患，并且横梁刚度仍然很大不利于碰撞行人保护；申请号为2016106068609的专利技术专利给出的防撞梁为空腔式结构，无法撞后实现变形恢复；申请号为2016107502031的专利技术专利给出了一种在导柱上布置弹簧的汽车吸能防撞梁，由于在防撞梁上额外增加了螺栓连接盘、导柱和弹簧等部件，存在结构复杂的问题，并且导柱刚性的碰撞危害性更大。再如，论文“泡沫铝填充结构防撞梁耐撞性仿真研究”(兵器材料科学与工程.36(6)，2013.11.)也验证了泡沫填充结构可以有效提升原型防撞梁的屈服力和吸能特性，但填充结构的功能仅限于提升抗弯曲能力，而对于行人保护和变形引导与自恢复方面存在欠缺。文献综合调研发现，现有的汽车防撞梁总成难以同时满足行人保护、低速碰撞吸能和高速碰撞变形传递的应用需求。因此，需要设计既刚又柔，且具有高吸能特性和变形引导与抑制的新型防撞梁总成。
技术实现思路
针对现有汽车防撞梁总成在行人保护、低速碰撞吸能和高速碰撞变形传递等方面存在的问题，而提供一种与现有防撞梁总成填充结构和功能完全不同的新型防撞梁总成，即一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成。本专利技术主要包括弧形防撞横梁、多稳态吸能盒和安装板，首次引入具有特定多稳态力学特性的变尺度多稳态单胞阵列结构作为弧形防撞横梁和吸能盒的填充材料，且弧形防撞横梁本身具有双稳态特性。通过不同层级结构的尺度递变和多个稳定构型变换来达到高效吸收冲击能、局部变形引导与抑制和行人保护的性能需求。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于：包括弧形防撞横梁、吸能盒和安装板，所述弧形防撞横梁的两端分别与所述吸能盒相连接，所述吸能盒与所述安装板相连接；所述弧形防撞横梁和所述吸能盒内部填充有多层级多稳态单胞结构，所述弧形防撞梁、所述吸能盒和所述安装板组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。进一步地，所述弧形防撞横梁具有多稳态结构，由阵列式多层级多稳态单胞结构填充，所述弧形防撞横梁由可动外盖和横梁固定板组成。进一步地，所述多层级多稳态单胞结构由2个弧形梁和2个纵梁首尾依次连接构成，多个单胞之间通过共用纵梁的方式互连形成层状结构，各层之间通过弧形梁中点处的纵梁依次连接形成阵列填充结构。进一步地，所述多层级多稳态单胞结构中的弧形梁为具有双稳态特征的结构，包括拱形梁、余弦梁、曲梁、拱形板、余弦轮廓板和类球缺式的鼓包结构。进一步地，所述吸能盒由多层级双稳态单胞结构组成，并与所述弧形防撞横梁和所述安装板连接。双稳态单胞结构无需外力，结构能够保持在两个稳定状态。单胞结构具有双稳态特性，通过在不同的层上布置不同尺寸的双稳态单胞结构连接，使整个横梁结构可以稳定保持在多个稳定状态。进一步地，所述弧形防撞横梁和所述吸能盒包含的各层级多稳态单胞结构的几何尺寸逐渐增加。几何尺寸变化是有序的，结构有外向内尺寸依次增加。进一步地，所述弧形防撞横梁的外轮廓可为余弦、拱形、弧形或V形结构。进一步地，所述可动外盖为开口矩形腔体结构，所述可动外盖的顶盖与其内部填充的由所述多层级多稳态单胞结构组成的多胞结构连接，所述可动外盖的侧盖与其内部填充的多胞结构存在间隙，不连接。进一步地，所述横梁固定板与所述弧形防撞横梁内填充的多胞结构的最外层连接，并与所述吸能盒的一端连接。进一步地，防撞梁总成的材料为轻质金属或复合材料。较现有技术相比，本专利技术第一次将多稳态单胞结构应用于汽车防撞梁总成设计中，具有以下优点：1、引入具有特定多稳态力学特性的变尺度多稳态单胞阵列结构作为防撞横梁和吸能盒的填充材料，使整体防撞梁总成结构具有多种稳定构型，在不同的碰撞等级载荷作用下防撞横梁和吸能盒在多个稳定构型之间切换，即将外界冲击能存储于自身的结构变形能，不进行变形传递，有效抑制和阻隔变形向车身的传递，避免发生碰撞事故二次伤害，保护驾乘人员的生命安全。2、借助多稳态结构的变形存在互逆性，当碰撞结束后，可以借助外力将防撞梁和吸能盒恢复原貌，恢复其碰撞吸能保护特性，降低事故车辆的修复成本。3、本专利技术率先引入层级多胞结构变尺度的概念，通过不同层级结构的尺度递变实现防撞梁整体结构由柔变刚的过程，达到保护行人的目的。本专利技术还具有制造工艺简单，多稳态特性可调，跳转特性稳定、重复性好的优点，还可适用于空间飞行器返回、建筑安全保护装置、仪器避撞保护系统等各类碰撞安全保护系统。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成的结构示意图。图2是本专利技术多稳态单胞结构的示意图。图3是本专利技术防撞横梁局部剖视图。图4是本专利技术多级多稳态吸能盒的结构剖视图(尺寸渐变)。图5是本专利技术可动外盖与内部填充多层级多稳态单胞结构的示意图。图6是本专利技术防撞横梁的多级变形保护策略图。图7是第一层级单胞结构的力位移关系曲线。图8是第二层级单胞结构的力位移关系曲线。图9是第三层级单胞结构的力位移关系曲线。图10是第四层级单胞结构的力位移关系曲线。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，一种基于多稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于：包括弧形防撞横梁(100)、吸能盒(200)和安装板(300)，所述弧形防撞横梁(100)的两端分别与所述吸能盒(200)相连接，所述吸能盒(200)与所述安装板(300)相连接；所述弧形防撞横梁(100)和所述吸能盒(200)内部填充有多层级多稳态单胞结构(101)，所述弧形防撞梁(100)、所述吸能盒(200)和所述安装板(300)组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。

【技术特征摘要】
1.一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于：包括弧形防撞横梁(100)、吸能盒(200)和安装板(300)，所述弧形防撞横梁(100)的两端分别与所述吸能盒(200)相连接，所述吸能盒(200)与所述安装板(300)相连接；所述弧形防撞横梁(100)和所述吸能盒(200)内部填充有多层级多稳态单胞结构(101)，所述弧形防撞梁(100)、所述吸能盒(200)和所述安装板(300)组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。2.根据权利要求1所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述弧形防撞横梁(100)具有多稳态结构，由阵列式多层级多稳态单胞结构(101)填充，所述弧形防撞横梁(100)由可动外盖(105)和横梁固定板(104)组成。3.根据权利要求1所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述多层级多稳态单胞结构(101)由2个弧形梁和2个纵梁首尾依次连接构成，多个单胞之间通过共用纵梁的方式互连形成层状结构，各层之间通过弧形梁中点处的纵梁依次连接形成阵列填充结构。4.根据权利要求3所述的基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于，所述多层级多稳态单胞结构(101)中的弧形梁为具有双稳态特征的结构，包括拱形梁、余弦梁、曲梁、拱形板、余弦轮廓板和类球缺式的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄毓，高仁璟，程凯，刘家祺，赵剑，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21