[发明专利]一种高比吸能的仿生复合材料结构和制造方法

说明书

一种高比吸能的仿生复合材料结构和制造方法，结构包括正六边形外管、正六边形内管、肋板和圆管，正六边形外管和正六边形内管通过肋板连接，正六边形外管、正六边形内管的顶点连接处采用圆管的结构形式，整体形成致密的蜘蛛网结构，具有很强的稳定性，局部的破坏不会使得整个结构失效；正六边形外管、正六边形内管、肋板和圆管采用碳纤维树脂基复合材料；制造方法利用组合模具以及真空袋成型工艺制备，本发明能大幅度提高吸能管的吸能效率。

技术领域

本发明涉及复合材料吸能装置技术领域，尤其涉及一种高比吸能的仿生复合材料结构和制造方法。

背景技术

碰撞吸能装置可以极大提高汽车和轨道车辆的被动防护能力以及直升机和航空航天飞行器的抗坠毁能力，在保护人生安全、财产安全方面发挥着重要作用。例如汽车的保险杠总成，保险杠总成主要由防撞梁、吸能管、连接板等组成，并通过螺栓连接到车身上，拆卸方便利于维修，整个保险杠总成在低速碰撞中对车辆起到主要的保护作用，吸能管在低速碰撞中吸收大部分的能量，是汽车碰撞的主要吸能元件之一，在约束质量和尺寸的前提下，优化设计吸能管的耐撞性能，对轻量化过程中提高汽车的被动安全性能有着重要意义。

目前汽车吸能管主要由金属薄壁管件制成，在碰撞过程中，吸能管主要依靠自身的塑性变形来吸收车辆碰撞中的冲击动能，但是普通圆形金属薄壁管件的吸能效率较低，即比吸能值太小。

碳纤维树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、易加工、可设计性好等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通、能源等领域，碳纤维复合材料结构在受到碰撞冲击时，复合材料不是通过塑料变形吸收能量，而是变成无数细小的碎片，因而可以吸收大量冲击能量，大约是钢结构的4倍，具有高安全性，所以选择复合材料制造吸能管是提高其吸能效率的有效途径之一。

目前还没有基于碳纤维树脂基复合材料的仿生多胞吸能管结构文献公开。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种高比吸能的仿生复合材料结构和制造方法，能大幅度提高吸能管的吸能效率。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高比吸能的仿生复合材料结构，包括正六边形外管1、正六边形内管2、肋板3和圆管4四个部分，正六边形外管1和正六边形内管2通过肋板3连接，正六边形外管1、正六边形内管2的顶点连接处采用圆管4的结构形式，整体形成致密的蜘蛛网结构。

所述的正六边形外管1、正六边形内管2、肋板3和圆管4采用同种纤维增强树脂基复合材料，或采用两种不同的纤维增强树脂基复合材料。

所述的仿生复合材料结构的横截面构型的几何尺寸符合下述公式：

L₁＝2L₂＝2L，L＞D

其中L₁为正六边形外管1边上两圆管4的中心距离，L₂为正六边形内管2边上两圆管4的中心距离，L为肋板3上两圆管4的中心距离，D为圆管4直径。

所述的仿生复合材料结构的高度H根据实际吸能要求选择。

所述的一种高比吸能的仿生复合材料结构的制造方法，利用组合模具以及真空袋成型工艺制备，具体为，首先利用3D打印技术或机械加工方式进行模具制造，按照预先设计对碳纤维预浸带进行裁剪，得到不同角度待缠绕的碳纤维预浸带；然后将碳纤维预浸带缠绕至模具表面，再将所有缠绕好碳纤维预浸带的模具进行合模，采用真空袋成型工艺进行固化，对固化后的制品脱模即得到高比吸能的仿生复合材料结构。

影响仿生复合材料结构吸能效果的结构特征参数为：碳纤维预浸料的铺放角度；碳纤维预浸料的层数，即仿生复合材料结构的厚度；正六边形内管2边上两圆管4的中心距离以及圆管4直径。