本发明专利技术属于汽车零部件技术领域，具体提供一种基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构，该吸能管结构是一种从甲虫鞘翅微观结构获得、具有孔柱、加强肋和异种材料布置特征的多胞薄壁管，通过仿生得到的两种不同特性材料的合理配置和截面形式，达到了改善薄壁管吸能性能的目的，由于截面形式简单，加工相对容易，成本较低，同时由于碳纤维有着轻质高强的特点，使得轻量化效果显著，使用时降低能耗，相对利用率较高。用于替换现有吸能盒或类似吸能部件，既能实现车辆减重的要求，降低能源消耗，又能实现对碰撞能量的充分吸收，降低碰撞或冲击事故发生时对车辆主体和车内人员的伤害。发生时对车辆主体和车内人员的伤害。发生时对车辆主体和车内人员的伤害。
【技术实现步骤摘要】
一种基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构
[0001]本专利技术属于汽车零部件
，尤其涉及一种基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构。
技术介绍
[0002]随着中国汽车工业的发展以及国民生活水平的提高，我国汽车保有量迅速增长，安全问题越来越被人们所关注。碰撞是人们经常遇到的事故类型，好的吸能部件能够有效减少事故损伤。薄壁管状结构是一种常见的传统吸能结构，因为其结构简单、工作可靠、变形模式平稳，能够在碰撞时通过自身的塑性屈曲等方式耗散冲击能量，其作为组成部件或者附加结构被广泛应用于车辆的碰撞耗散系统中。传统的薄壁圆管通常采用金属制备，如钢等，可以通过设计薄壁管截面来控制变形模式从而提高吸能效率，但纯金属材料在作为吸能结构时，比吸能及比强度都比较低，很难达到设计要求的吸能效果，且这些材料形式单一，得到的防护结构往往比较笨重。
[0003]吸能管的吸能效果主要取决于两方面，即截面形式和构成材料。很多吸能管的设计重心在截面形式上，如中文论文《基于虾螯结构的仿生薄壁管吸能特性分析及优化》，以雀尾螳螂虾螯为设计起点，设计一种具有虾螯结构仿生截面的薄壁吸能管；《仿生吸能结构的设计及耐撞性研究》、《仿生多胞薄壁结构的耐撞性研究与优化设计》、《基于甲虫鞘翅的客车八边形仿生多胞薄壁管耐撞性研究》和《仿生层级薄壁方管的耐撞性研究》四篇文章均是通过对甲虫鞘翅微观结构的观察得到启发，提取了部分形状特征设计出的具有独特截面形式的薄壁吸能管。这些设计新型截面的薄壁管都是采用的铝合金材料，都有着纯金属吸能管的短板。考虑吸能管材料的设计如中国专利CN108730390A公开了一种碳纤维蜂窝管结构、CN210484487U公开了压溃方向可控的碳纤维吸能管，这二者使用纯碳纤维复合材料来实现高性能。虽然看起来增强了吸能管的吸能性能，实际上却割裂了截面形式与材料对吸能管的性能影响，只是利用碳纤维本身的材料特性，忽略了截面形式在吸能管性能上发挥的作用。
[0004]现有设计没有将上述两要素结合起来，而独特结构与合理材料布置的搭配在自然界中是极为常见的，将这种思想迁移到设计中就是把合适的截面形式、不同位置使用不同特性的材料综合起来，将会是一种行之有效的增强吸能效果的技术手段。
技术实现思路
[0005]为解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构，该吸能管结构是一种从甲虫鞘翅微观结构获得、具有孔柱、加强肋和异种材料布置特征的多胞薄壁管。
[0007]作为本专利技术的优选，该多胞薄壁管截面的外轮廓呈圆形或多边形、外轮廓上均匀
设置有孔，该多胞薄壁管截面的内部均匀设置有直肋板，直肋板之间形成有孔。
[0008]作为本专利技术的优选，其中外轮廓、外轮廓上的孔、直肋板以及直肋板之间形成的孔为一个整体结构称之为外壳管，是由金属材质制备；外壳管的内侧面上贴合有一层内衬管，是由高分子材料制备。
[0009]作为本专利技术的优选，所述外轮廓呈圆形，外轮廓上均匀设置有三个孔径相同的孔；所述直肋板的数量为三条，三个外轮廓上的孔与三条直肋板将外轮廓均分为六份。
[0010]作为本专利技术的优选，所述外壳管为铝合金材料，采用线切割制备；所述内衬管为碳纤维复合材料，采用模具辅助制备，所述外壳管和内衬管以加热固化的方式连接。
[0011]本专利技术的有益效果如下：（1）本专利技术提供一种具有高吸能性且轻量化效果好的新型仿生多胞薄壁吸能管状结构，用于替换现有吸能盒或类似吸能部件，既能实现车辆减重的要求，降低能源消耗，又能实现对碰撞能量的充分吸收，降低碰撞或冲击事故发生时对车辆主体和车内人员的伤害，保护人们生命财产的安全。
[0012]（2）该结构能够在承受轴向压缩时保持逐层压溃的变形模式，吸能效率高。外壳的铝合金因为仿生设计的截面形式能够实现多折叠次数变形，同时铝合金凭其良好的韧性还有着约束内衬碳纤维复合材料的变形、增加两者之间耦合效果的作用，使铝合金和碳纤维复合材料均能够有效利用变形来吸收碰撞的能量，提高了整体结构的吸能能力。
[0013]（3）本专利技术提供的基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构，通过仿生得到的两种不同特性材料的合理配置和截面形式，达到了改善薄壁管吸能性能的目的，同时由于截面形式简单，加工相对容易，成本较低，同时由于碳纤维有着轻质高强的特点，使得轻量化效果显著，使用时降低能耗，相对利用率较高。
附图说明
[0014]通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本专利技术的更全面理解，本专利技术的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：图1为本专利技术的结构示意图。
[0015]图2为本专利技术的截面图。
[0016]图3为本专利技术的侧面图。
[0017]图4为本专利技术设计过程参考图，包括a、b、c。
[0018]图5为本专利技术的应力变化测试效果图。
[0019]图6为图5去除外壳后的应力变化测试效果图。
[0020]图7为本专利技术与其他薄壁管比吸能对比图。
具体实施方式
[0021]为使本领域技术人员能够更好的理解本专利技术的技术方案及其优点，下面结合附图对本申请进行详细描述，但并不用于限定本专利技术的保护范围。
[0022]实施例1设计过程：自然界中的甲虫因坚固外甲得名，甲虫的鞘翅通过限制外部负荷的转移来保护它的后翼和身体免受潜在的外部伤害，而鞘翅整体并不是平面，是存在一定弧度
的曲面，见图4中a所示，其更多的是面临曲面法线方向的冲击或压缩，所以能够得到设计承受轴向负荷结构的灵感。
[0023]鞘翅表面呈块状拼接，见图4中b所示，黑色壳块是主要承受冲击的部分，白色连接线是供黑色壳块变形和卸载的，鞘翅内部结构中存在空心蜂窝状薄壁结构，见图4中c所示，其中有圆形空心孔柱。考虑甲虫甲壳对其身体的保护，通过研究甲壳微观结构，从中得到出一种截面形式和考虑功能需求的材料布置方法。
[0024]见图4中b所示，图中圆环圈住部分三个孔柱和三块壳分布较为均匀，从而得到如图2所示设计截面；参考孔柱的形式，采用薄壁管进行设计见图1所示；模拟黑色壳块及之间连接，采用刚度、强度和柔韧性等有明显差异的材料分别作为内衬和外壳，刚度、强度较大的作为内衬，较柔软的、柔韧性好的作为外壳。至此，得到一种具有甲虫鞘翅特征的仿生薄壁吸能管结构。同时考虑到减排环保、增强性能和材料分配，主体材料为金属，用增强纤维复合材料作为内衬来替代一部分金属对其进行减重与性能强化。
[0025]实施例2参阅图1所示：一种基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构，该吸能管结构是一种从甲虫鞘翅微观结构获得、具有孔柱、加强肋和异种材料布置特征的多胞薄壁管。具体为：该多胞薄壁管截面的外轮廓11呈圆形、外轮廓11上均匀设置有三个孔径相同的孔12，该多胞薄壁管截面的内部均匀设置有三条直肋板13，直肋板13之间形成有孔14。外轮廓11、外轮廓11上的孔12、直肋板13以及直肋板13之间形成的孔14为一个整本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构，其特征在于：该吸能管结构是一种从甲虫鞘翅微观结构获得、具有孔柱、加强肋和异种材料布置特征的多胞薄壁管。2.根据权利要求1所述的一种基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构，其特征在于：该多胞薄壁管截面的外轮廓呈圆形或多边形、外轮廓上均匀设置有孔，该多胞薄壁管截面的内部均匀设置有直肋板，直肋板之间形成有孔。3.根据权利要求2所述的一种基于甲虫鞘翅特征的新型仿生吸能管结构，其特征在于：其中外轮廓、外轮廓上的孔、直肋板以及直肋板之间形成的孔为一个整体结构称之为...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁鸿宇，孙昊，卢春达，王登峰，蒲永锋，田广东，马芳武，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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