本發(fā)明屬于一種碰撞吸能裝置，尤其涉及一種梯度復(fù)合碰撞吸能管件。

背景技術(shù)：

碰撞吸能裝置在保護(hù)人身生命、財(cái)產(chǎn)安全方面能發(fā)揮重大作用，如碰撞吸能裝置之汽車被動(dòng)安全性結(jié)構(gòu)，下面以汽車被動(dòng)安全性結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明。它是車輛碰撞事故中最直接關(guān)乎乘員生命及財(cái)產(chǎn)安全的安全性保護(hù)措施，良好的被動(dòng)安全性結(jié)構(gòu)應(yīng)具備高效的能量吸收特性，并以最穩(wěn)定的能量耗散方式減輕乘員受到來(lái)自碰撞源的沖擊力，保護(hù)乘員安全，最大限度減輕事故中人員的傷害程度。因此，車身上的吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)已成為目前汽車被動(dòng)安全性設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。目前，大多數(shù)汽車車身的吸能結(jié)構(gòu)仍然是普通薄壁管件(薄壁直管、薄壁錐管、薄壁波紋管)。首先，普通薄壁管件在發(fā)生碰撞時(shí)，主要采用傳統(tǒng)的壓縮變形吸能方式，這類吸能原件僅在皺縮處產(chǎn)生劇烈的塑形變形來(lái)吸收來(lái)自碰撞源的動(dòng)能，變形模式較為單一，會(huì)導(dǎo)致吸能結(jié)構(gòu)吸能不充分，材料利用率并不高。其次，普通薄壁管件很難適應(yīng)汽車多角度斜向碰撞條件，碰撞源與汽車在多角度斜向沖擊條件下容易發(fā)生失穩(wěn)，能量吸收效率隨沖擊角度增大而大幅度降低，普通薄壁管件的局限性變得越來(lái)越明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了梯度復(fù)合碰撞吸能管件，其克服了背景技術(shù)中碰撞吸能裝置所存在的不足。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題的所采用的技術(shù)方案是：

梯度復(fù)合碰撞吸能管件，包括梯度內(nèi)管(10)、梯度外管(20)、鋁泡沫填充層(30)和纖維增強(qiáng)型布填充層(40)，該梯度外管(20)套設(shè)在梯度內(nèi)管(10)外，該鋁泡沫填充層(30)填滿于梯度內(nèi)管(10)中，該纖維增強(qiáng)型布(40)填滿于梯度內(nèi)管(10)與梯度外管(20)之間。

一實(shí)施例之中：還包括能形成碰撞源沖擊處的封閉端板(50)，該梯度內(nèi)管(10)第一端口固定在該封閉端板(50)上，該梯度外管(20)第一端口接觸配合該封閉端板(50)。

一實(shí)施例之中：該纖維增強(qiáng)型布填充層(40)通過(guò)纖維增強(qiáng)型布采用纏繞方式包裹在梯度內(nèi)管(10)外周面而形成的。

一實(shí)施例之中：該梯度內(nèi)管(10)的管壁厚度在軸向上呈梯度形式變化，該梯度內(nèi)管(10)梯度形式變化為梯度內(nèi)管(10)第二端口至第一端口厚度漸??；該鋁泡沫填充層(30)按照密度梯度形式填充在梯度內(nèi)管(10)中，該密度梯度形式為朝封閉端板(50)由遠(yuǎn)至近呈由高向低變化。

一實(shí)施例之中：該梯度外管(20)一端呈外擴(kuò)錐壁(21)，該外擴(kuò)錐壁(21)外擴(kuò)角度為θ，該外擴(kuò)錐壁(21)端口為梯度外管(20)第一端口，該梯度外管(20)第一端口外徑大于梯度外管(20)其余部分的外徑，該梯度外管(20)的管壁厚度在軸向上呈梯度形式變化，該梯度外管(20)梯度形式變化為梯度外管(20)第二端口至外擴(kuò)錐壁(21)之小徑部分厚度漸薄。

一實(shí)施例之中：該梯度內(nèi)管(10)的管壁厚度在軸向上呈梯度形式變化，該梯度內(nèi)管(10)第一端口處的厚度為t1min，該梯度內(nèi)管(10)第二端口處的厚度為t1max,該t1min小于t1max,該梯度內(nèi)管(10)軸向高度為x1處的厚度大小符合公式其中，n為梯度內(nèi)管(10)的梯度指數(shù)，l1為梯度內(nèi)管(10)的總高度。

一實(shí)施例之中：該梯度外管(20)一端呈外擴(kuò)錐壁(21)，該外擴(kuò)錐壁(21)外擴(kuò)角度為θ，該外擴(kuò)錐壁(21)的端口為梯度外管(20)第一端口，該梯度外管(20)第一端口外徑大于梯度外管(20)其余部分的外徑。

一實(shí)施例之中：該封閉端板(50)周緣和梯度外管(20)第一端口周緣齊平。

一實(shí)施例之中：該外擴(kuò)錐壁(21)之小徑部分的厚度為t2min，該梯度外管(20)第二端口處的厚度為t2max,該t2min小于t2max,該梯度外管(20)軸向高度為x2處的厚度大小符合公式其中，n為梯度外管(20)的梯度指數(shù)，l2為梯度外管(20)的總高度。

一實(shí)施例之中：該鋁泡沫填充層(30)按照密度梯度形式填充在梯度內(nèi)管(10)中，該密度梯度形式為朝封閉端板(50)由遠(yuǎn)至近呈由高向低變化，該泡沫填充層(30)高度為x3處的密度值符合公式其中n為梯度指數(shù)，l3為泡沫填充層(30)的總高度。

本技術(shù)方案與背景技術(shù)相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

它包括梯度內(nèi)管、梯度外管、鋁泡沫填充層和纖維增強(qiáng)型布填充層，以能通過(guò)包括軸向潰縮、徑向擠壓、膨脹吸能、撕裂吸能等方式提高吸能效率，如應(yīng)用在汽車上，在碰撞發(fā)生時(shí)，能最大限度保護(hù)汽車乘員的生命及其財(cái)產(chǎn)安全。它吸能方式多樣化，多角度斜向沖擊穩(wěn)定，設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，吸能效率高，有足夠強(qiáng)度和韌性，使之能夠承受一定強(qiáng)度的碰撞，以保護(hù)生命及財(cái)產(chǎn)安全。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1是梯度復(fù)合碰撞吸能管件的結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖2是梯度內(nèi)管的結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖3是鋁泡沫填充層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是梯度外管的結(jié)構(gòu)剖面圖。

圖5是梯度外管俯視示意圖。

圖6是梯度指數(shù)曲線圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)查閱圖1至圖5，梯度復(fù)合碰撞吸能管件，包括梯度內(nèi)管10、梯度外管20、鋁泡沫填充層30、纖維增強(qiáng)型布填充層40和封閉端板50，該梯度外管20套設(shè)在梯度內(nèi)管10外，該鋁泡沫填充層30填滿于梯度內(nèi)管10中，該纖維增強(qiáng)型布40填滿于梯度內(nèi)管10與梯度外管20之間，該梯度內(nèi)管10第一端口固定在該封閉端板50上，該梯度外管20第一端口接觸配合該封閉端板50。該梯度內(nèi)管10和梯度外管20同軸布置；該封閉端板50端面能形成碰撞源沖擊處。該梯度內(nèi)管10與梯度外管20都為空心圓管，材質(zhì)如鋁管，該封閉端板50如為鋁制板或鋁合金板。該梯度復(fù)合碰撞吸能管件能應(yīng)用在汽車安全防護(hù)上，如應(yīng)用在汽車安全防護(hù)上則屬于汽車被動(dòng)安全防護(hù)領(lǐng)域。

該纖維增強(qiáng)型布填充層40通過(guò)纖維增強(qiáng)型布采用纏繞方式逐層周向數(shù)圈連續(xù)包裹在梯度內(nèi)管10外周面而形成的，用來(lái)填充梯度內(nèi)管10與梯度外管20之間的間隙。該纖維增強(qiáng)型布填充層40如玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(gfrp)、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(cfrp)、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(afrp)等系列纖維增強(qiáng)型材料，但并不以此為限。

該梯度內(nèi)管10的管壁厚度在軸向上呈梯度形式變化，該梯度內(nèi)管10第一端口(圖中上端)處的厚度為t1min，該梯度內(nèi)管10第二端口(圖中底端)處的厚度為t1max,該t1min小于t1max,該梯度內(nèi)管10軸向高度為x1處的厚度大小符合公式其中，n為梯度內(nèi)管10的梯度指數(shù)，l1為梯度內(nèi)管10的總高度。

該梯度外管20一端呈外擴(kuò)錐壁21，該外擴(kuò)錐壁21外擴(kuò)角度為θ，該外擴(kuò)錐壁21的端口為梯度外管20第一端口(圖中上端)，該梯度外管20第一端口外徑大于梯度外管20其余部分的外徑。該外擴(kuò)錐壁21之小徑部分的厚度為t2min，該梯度外管20第二端口(圖中底端)處的厚度為t2max,該t2min小于t2max,該梯度外管20軸向高度為x2處的厚度大小符合公式其中，n為梯度外管20的梯度指數(shù)，l2為梯度外管20的總高度。

該鋁泡沫填充層30填充在梯度內(nèi)管10內(nèi)部，該泡沫鋁如在純鋁或鋁合金中加入添加劑后，經(jīng)過(guò)發(fā)泡工藝而成，它同時(shí)兼有金屬和氣泡特征。該鋁泡沫填充層30按照密度梯度形式填充在梯度內(nèi)管10中，該密度梯度形式為朝封閉端板50由遠(yuǎn)至近呈由高向低變化，該泡沫填充層30高度為x3處的密度值符合公式其中n為梯度指數(shù)，l3為泡沫填充層30的總高度。

本實(shí)施例之中：梯度內(nèi)管10、梯度外管20、鋁泡沫填充層30之中：該l1＝l2＝l3，請(qǐng)查閱圖6，它為梯度指數(shù)曲線圖，如為梯度內(nèi)管10則：梯度內(nèi)管10的x1為圖中的x，梯度內(nèi)管10的l1為圖中的l，梯度內(nèi)管10的t1(x1)為圖中的t(x)，梯度內(nèi)管10的t1min為圖中的tmin，梯度內(nèi)管10的t1max為圖中的tmax；如為梯度外管20則：梯度外管20的x2為圖中的x，梯度外管20的l2為圖中的l，梯度外管20的t2(x2)為圖中的t(x)，梯度外管20的t2min為圖中的tmin，梯度外管20的t2max為圖中的tmax；如為泡沫填充層30則：泡沫填充層30的x3為圖中的x，泡沫填充層30的l3為圖中的l，泡沫填充層30的p(x3)為圖中的t(x)，泡沫填充層30的pmin為圖中的tmin，泡沫填充層30的pmax為圖中的tmax。本實(shí)施例之中所提出的吸能結(jié)構(gòu)可根據(jù)不同的碰撞環(huán)境及吸能要求匹配適當(dāng)?shù)奶荻戎笖?shù)。通過(guò)設(shè)置合理的梯度方式，選擇合適的梯度指數(shù)n，能夠有效的提高結(jié)構(gòu)整體在多角度斜向沖擊下的力學(xué)承載與能量吸收穩(wěn)定性，使其在多角度斜向沖擊條件下穩(wěn)定性大大提高，更好發(fā)揮材料的利用率，并且利于降低碰撞時(shí)的初始峰值力。

本實(shí)施例之中：該封閉端板50周緣和梯度外管20第一端口周緣齊平，即，封閉端板50直徑和梯度外管20第一端口直徑都為r1。

本發(fā)明中，通過(guò)梯度內(nèi)管10，鋁泡沫填充層30以及梯度外管20之間的梯度配合，能避免了普通吸能結(jié)構(gòu)在斜向沖擊下失穩(wěn)而大幅度降低吸能效率、碰撞瞬間產(chǎn)生的初始峰值力過(guò)高等而危及生命及其財(cái)產(chǎn)安全的現(xiàn)象。而且除了在多角度斜向沖擊條件下能發(fā)揮較高的穩(wěn)定吸能效果與有效降低碰撞過(guò)程中的初始峰值力外，特殊的結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)也使得本發(fā)明具有多種吸能方式，使得材料的吸能效率進(jìn)一步提高。具體來(lái)書，本發(fā)明能產(chǎn)生如下技術(shù)效果：

1.多角度斜向沖擊條件下穩(wěn)定性高。本發(fā)明中所述梯度內(nèi)管與梯度外管的軸向壁面厚度、以及填充在梯度內(nèi)管中的鋁泡沫密度均為功能梯度形式，使得管體整體的底部橫向剛度要大于頂部橫向剛度，通過(guò)設(shè)置合理的梯度方式，選擇合適的梯度指數(shù)，能夠有效的提高結(jié)構(gòu)整體在多角度斜向沖擊下的穩(wěn)定性，更好發(fā)揮材料的利用率，避免因吸能結(jié)構(gòu)在斜向沖擊下失穩(wěn)而大幅度降低吸能效率危及汽車乘員的生命及其財(cái)產(chǎn)安全。

2.有效降低碰撞瞬間產(chǎn)生的初始峰值力，避免碰撞力過(guò)大造成的沖擊危害。本發(fā)明中所述梯度內(nèi)管與梯度外管的軸向壁面厚度、以及填充在梯度內(nèi)管中的鋁泡沫密度均為功能梯度形式，當(dāng)碰撞源處的沖擊傳遞到管件時(shí)，應(yīng)力波最先傳遞到梯度內(nèi)管，外管，以及鋁泡沫的頂端。管件的頂部最先產(chǎn)生相應(yīng)的形變，通過(guò)梯度的方式有效調(diào)節(jié)降低了管件頂部的剛度與強(qiáng)度，合理降低了碰撞時(shí)的初始峰值力。

3.能量吸收形式多樣，吸能效率有效提高。本發(fā)明除了在多角度斜向沖擊的條件下發(fā)揮較高的穩(wěn)定吸能效果外，特殊的結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)使得本發(fā)明具有多種吸能方式。碰撞發(fā)生時(shí)，梯度內(nèi)管端面最先受到?jīng)_擊力的作用，梯度內(nèi)管與填充于內(nèi)部的鋁泡沫材料很快受到軸向壓縮，梯度內(nèi)管與填充于內(nèi)部的鋁泡沫材料通過(guò)擠壓形變的方式吸收能量。壓縮過(guò)程中梯度內(nèi)管在擠壓的作用下開始徑向延伸，與纖維增強(qiáng)型布填充層相互擠壓，當(dāng)極限應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，纖維增強(qiáng)型布填充層開始膨脹破裂吸收能量。與此同時(shí)，當(dāng)梯度內(nèi)管端面受到碰撞力時(shí)，梯度外管的管口在外擴(kuò)角度的影響下開始周向撕裂吸能，碰撞力越大，撕裂越明顯，吸收的能量越多。綜合該發(fā)明所能呈現(xiàn)的吸能方式，主要包括軸向潰縮、徑向擠壓、膨脹吸能、撕裂吸能等，很大程度上提高了結(jié)構(gòu)的吸能效率，解決了普通薄壁結(jié)構(gòu)吸能形式單一的問題，如應(yīng)用在汽車上，在碰撞發(fā)生時(shí)，最大限度的保護(hù)了汽車乘員的生命及其財(cái)產(chǎn)安全。

4.具有良好的輕量化效果。本發(fā)明提出的梯度內(nèi)管、梯度外管以及填充的泡沫鋁材料與纖維增強(qiáng)型布填充層均為質(zhì)量效率較高的輕量化材料，將其通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的梯度復(fù)合碰撞吸能管件具有較高的輕量化特性，材料利用率更高。

5.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便。本發(fā)明中涉及的結(jié)構(gòu)類型均為普通常見類型，并未涉及到復(fù)雜的端面加工以及曲面加工等難度較高的加工工藝，制造成本低，制造效率高。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，故不能依此限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，即依本發(fā)明專利范圍及說(shuō)明書內(nèi)容所作的等效變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明涵蓋的范圍內(nèi)。