[实用新型]一种仿牛角结构吸能管

说明书

技术领域

本实用新型属于汽车车身耐撞结构设计领域，涉及一种具有牛角结构特征的仿生吸能元件，该元件主要应用于汽车、轮船等交通工具的碰撞动能耗散系统中。

背景技术

随着汽车普及率的不断提升，道路交通事故不仅造成了严重的人员伤亡和经济损失，而且也给人们带来了巨大的精神伤害，因此，设计出一种具有良好耐撞性能的吸能元件已经成为汽车研发的热点问题。薄壁金属管作为一种低成本、高性能的吸能元件，广泛应用于汽车，船舶，航空航天等交通工具的动能耗散系统中。薄壁管在外界载荷作用下能依靠自身结构的屈曲、断裂等破坏形式来吸收和耗散大量碰撞时产生的冲击能量，从而有效保护乘员生命和贵重物品的安全。在碰撞发生时，薄壁管的吸能特性在很大程度上影决定着汽车耐撞性的能好坏。因而，设计出一种轻质高效并具有良好耐撞性能的薄壁吸能元件对于保障人们生命财产安全，节约能源，促进环保等方面具有重大的实际意义。

实用新型内容

本实用新型目的是针对现有技术的不足之处，提供一种仿牛角结构吸能管，本实用新型能有效的提高车辆碰撞的安全性。

牛角的主要生物学功能是牛在进攻和防御过程中保护身体不受到外界环境的破坏，一支完整的牛角能够承受大约7.6KN的外部载荷，因此，牛角是自然界中存在的一种具有良好力学性能的生物材料。牛角是皮肤的同源器官，主要由角质外壳，内部骨芯和连接两者的软组织层三部分组成，角质外壳由无数个角质蛋白薄片堆垛而成，在受到外界载荷时，这种层状堆垛结构可以使裂纹沿不同方向扩展来抵抗外界载荷的破坏，从而提高了材料的抗压性能。牛角的这种层状堆垛结构大幅度提高了牛角的力学性能。内部骨芯是一种轻质多孔材料，具有密度小，比表面积大、抗冲击性能高等优点，骨芯和角质外壳的耦合结构有助于牛角耐撞性能的提高，牛角的这种内部填充结构和良好的力学性能对薄壁管的仿生研究具有重要的启发意义。薄壁吸能管能过依靠自身的屈曲、损伤、断裂等破坏形式来吸收碰撞能量，从而避免整体结构的破坏。同样，牛可以通过牛角在碰撞过程中吸收能量来达到自我保护的目的。

因此牛角在结构和功能上与薄壁管有着很大的相似之处，从而选取牛角作为薄壁管仿生优化设计的生物原型。

本实用新型采用如下技术方案。

本实用新型将仿生学与结构耐撞性理论相结合，通过相似性分析，选取牛角作为薄壁管仿生优化设计的生物原型，提取出决定牛角力学性能的结构特征参数，并应用到薄壁管的设计中，从而设计出一种具有良好耐撞性能的仿生吸能管。

所提取出决定牛角力学性能的结构特征参数为：牛角主要由角质外壳和内部骨芯两部分组成，是一种管状内部填充结构。角质外壳由无数个坏死的薄片细胞堆垛而成你，且角质外壳的硬度由内到外呈现出依次增大的梯度分布。牛角内部骨芯是一种轻质多孔材料，具有密度小，比表面积大等优点。

本实用新型是一种多孔材料填充的管状吸能结构，本实用新型根据牛角的内部填充管状结构设计而成，本实用新型是由外层圆管、加强筋、内层圆管、泡沫铝和蜂窝结构圆管组成，外层圆管和内层圆管通过多个加强筋连接在一起构成仿生外壳，仿生外壳是通过模拟牛角外壳的层状堆垛结构设计而成；蜂窝结构圆管位于内层圆管的中心，蜂窝结构圆管与内层圆管之间填充泡沫铝，泡沫铝与蜂窝结构圆管粘贴在一起构成仿生芯体，仿生芯体模拟了牛角内部骨芯的多孔结构，泡沫铝的外周与内层圆管粘贴在一起。

所述多个加强筋均匀的分布在内层圆管和外层圆管之间。

所述外层圆管和内层圆管采用不同硬度的金属材料，所述的构成仿生外壳的外层圆管和内层圆管在硬度上呈现梯度分布，从而模拟牛角外壳从内到外硬度依次增大的梯度分布。

所述外层圆管采用的材料为钢材，其屈服强度0.27、密度7.85×10^-6kg·mm^-3、弹性模量210GPa、泊松比0.3。

所述内层圆管、加强筋和蜂窝结构圆管的材料均采用6A02铝合金，其屈服强度0.25GPa、密度2.7×10^-6kg·mm^-3、弹性模量70GPa、泊松比0.31。

所述内层芯体为泡沫铝，为圆环形泡沫铝材料，其密度0.37×10^-6kg·mm^-3、弹性模量1.2GPa、泊松比0.3。

本实用新型的有益效果：

本实用新型结构简单，成本低廉且适合大规模自动化生产。