[发明专利]一种缓冲吸能结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种吸能结构，尤其涉及一种填充材料的性能沿纵向方向按功能梯度变化的缓冲吸能结构。

背景技术

“安全、节能、环保”是当代汽车发展的三大主题，安全问题即耐撞性问题居于首位。节能与环保则要求结构具有轻质和高效吸能的特性。任何质量的增加都意味着消耗更多的燃料并对环境造成更多的污染。在汽车轻量化问题日益严峻的情况下，如何合理的设计性能良好的缓冲吸能结构以满足汽车的耐撞性要求已成吸能结构设计的一个方向。

由于金属轻质多孔材料具有重量轻，吸能高以及能在一个非常大的变形范围内保持载荷几乎恒定不变等特性而被广泛用作吸能材料。在汽车工业中应用最广泛的多孔材料主要是泡沫材料和蜂窝材料。研究表明将多孔材料填入薄壁结构不仅能增强空心薄壁结构的变形稳定性和改善变形模式，而且能提高空心薄壁结构的能量吸收能力，其吸收的能量较组成它的空心薄壁结构和多孔填充材料分别单独受载情况下吸收的能量总和要高出许多。

轻质多孔材料填充薄壁结构作为能量吸收器在汽车、航空航天、载人飞船的回收、高速列车和轮船的撞击等领域得到了广泛的应用。然而，传统的吸能结构中填充的金属泡沫材料和蜂窝材料的性能是一致的。该种形式的吸能结构在碰撞的初始阶段有一个较高的峰值力，并且在后续的变形过程中，吸能结构常常发生弯曲变形而失稳，大大降低了吸能器的能量吸收能力。同时，传统的吸能结构不利于充分发挥吸能器的吸能潜力，且吸能结构的重量往往较重，不利于结构的轻量化。

本发明从提高吸能结构的能量吸收能力、降低吸能结构的重量以及节约生产的角度出发，提出了一种功能梯度变化的缓冲吸能结构及设计方法。该结构即为在中空的薄壁结构中填充按一定梯度变化的金属泡沫或蜂窝多孔材料。

发明内容

本发明的目的在于解决传统金属薄壁吸能结构单位体积内吸收的能量较小以及组合式结构能量不能高效的吸收且易造成材料不必要的浪费等问题，提出一种功能梯度变化的缓冲吸能结构及设计方法，主要思路是从高效吸能能力和材料合理利用的实际工程角度出发，根据缓冲过程吸能的变化特点将轻质金属蜂窝及金属泡沫等多孔材料根据强度大小的不同合理分布于封闭空间中，形成一种新型缓冲吸能结构。

对于填充轻质泡沫金属多孔材料的缓冲吸能结构来说，泡沫填充薄壁结构的能量吸收能力与填充泡沫的密度密切相关，通常情况下，密度越高，吸收的能量越多。然而，采用高密度的泡沫铝填充金属薄壁结构非常容易导致吸能结构发生整体的弯曲失效，反而降低吸能能力。相对于空心薄壁结构，尽管高密度的铝泡沫填充薄壁结构能显著的增加能量吸收量，但是单位质量吸收的能量反而却比空心薄壁结构的低。因此，本发明根据这种特性，通过填充具有功能梯度变化的泡沫材料可以进一步提高这类结构的耐撞性。为了克服现有技术制造功能梯度泡沫材料的技术难题和高成本问题，本发明将功能梯度泡沫材料沿着长度方向细分成许多层，每一层为均匀泡沫材料，即将具有不同密度（即强度不同）的泡沫金属材料填充于金属薄壁中空结构中，不同密度组合之间通过粘合剂固连在一起。这种技术上的改变不仅能增强空心薄壁结构的变形稳定性和改善变形模式，而且能提高空心薄壁结构的能量吸收能力，其吸收的能量较组成它的空心薄壁结构和泡沫铝分别单独受载情况下吸收的能量总和要高出许多，这样不仅提高吸能能力，而且能保证材料合理利用。同时，在碰撞变形过程中，碰撞力的变化非常平缓，该结构作为汽车的正碰吸能结构能极大的增加汽车的正碰的安全性，降低人员伤亡。

对于填充金属蜂窝状结构的缓冲吸能结构来说，蜂窝填充薄壁结构的能量吸收能力与填充蜂窝结构的几何形状、尺寸等因素密切相关。研究结果，表明蜂窝孔的特征夹角越小，孔壁越厚，碰撞强度越高。这些因素决定了表板局部屈曲和孔格壁板屈曲的临界应力。本发明的思路主要通过改变金属蜂窝状结构的尺寸，即蜂窝结构孔径尺寸或蜂窝的壁厚尺寸并按照一定的梯度变化纵向布置，在保证吸能结构轻量化的基础上达到所需吸能性能，该具有功能梯度变化的结构有利于分级吸收冲击能量，而且能提高空心薄壁结构的能量吸收能力。

本发明与现有技术相比，其显著的优点在于：

该功能梯度变化的组合结构的变形模式更加稳定和吸能的效率更高，能有效降低吸能结构的重量，整个吸能过程中的冲击力非常平稳，大大提高了吸能结构的碰撞安全性。该结构在保证轻量化的基础上可以作为汽车的正碰吸能结构，能够极大的增加汽车的正碰的安全性，降低人员伤亡。

附图说明

图1是本发明的填充泡沫铝材料的圆柱形薄壁吸能结构；

图2是本发明中图1的截面A剖面图；