[发明专利]一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成

说明书

本发明提供一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，包括弧形防撞横梁、吸能盒和安装板，弧形防撞横梁的两端分别与吸能盒相连接，吸能盒与安装板相连接；弧形防撞横梁和吸能盒内部填充有多层级多稳态单胞结构，弧形防撞梁、吸能盒和安装板组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。本发明引入具有特定多稳态力学特性的变尺度多稳态单胞阵列结构作为关键填充材料，使防撞梁和吸能盒的整体和局部结构都具有多稳定构型变换能力，并且借助层级尺度递变特性实现由柔变刚的功能，在不同的碰撞等级载荷作用下通过不同稳定构型之间切换将外界冲击能转变为自身变形能，不进行变形传递，有效抑制和阻隔变形向车辆其它部位传递，并减缓碰撞强度。

技术领域

本发明涉及车辆碰撞安全与智能结构领域，尤其涉及一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成。

背景技术

防撞梁是汽车车身的重要组成部分，在“低速碰撞”和“行人保护”两方面起着关键性的作用，因而如何改善其抗撞性能(如传力性能、吸能效率和强度等)是汽车被动安全领域的研究热点问题。目前的防撞梁主要采用不同的单一截面形状(矩形、三角形)或填充蜂窝材料(六边形或八边形蜂窝结构)的方法增大其缓冲及吸能能力。实际上，事故伤亡统计分析结果表明，在低速碰撞过程中防撞梁更需要吸收冲击能量和撞后变形恢复功能以保护行人或驾乘人员生命安全，同时能够抑制变形的传递路径防止挤压发动机或油路系统而引发二次事故。另外，在高速碰撞过程中需要将冲击力合理导向车架并分散给整个车身，避免车体局部区域变形过大而导致乘客伤亡。因此，需要在防撞梁设计中既考虑冲击吸能特性，又要考虑力和变形的传递路径问题。

现有的防撞梁普遍采用矩形横梁填充蜂窝材料或泡沫材料的方式来提升整体结构的吸能特性，但在变形和冲击力的抑制或引导方面较为欠缺。例如，申请号为201510076507X的发明专利给出了一种横梁内部填充有多空件的防撞横梁结构，单胞结构为六边形蜂窝结构，尽管该填充材料有效增加了防撞梁的抗弯刚度，但同时也会增加行人碰撞的伤害系数；申请号为201610606876X的发明专利给出了一种截面为目字形的防撞横梁和8字形截面吸能盒总成结构，但分析其力学特性可以发现，横梁碰撞变形将直接向后传递至吸能盒，并由吸能盒传递给车身进而造成二次伤害隐患，并且横梁刚度仍然很大不利于碰撞行人保护；申请号为2016106068609的发明专利给出的防撞梁为空腔式结构，无法撞后实现变形恢复；申请号为2016107502031的发明专利给出了一种在导柱上布置弹簧的汽车吸能防撞梁，由于在防撞梁上额外增加了螺栓连接盘、导柱和弹簧等部件，存在结构复杂的问题，并且导柱刚性的碰撞危害性更大。再如，论文“泡沫铝填充结构防撞梁耐撞性仿真研究”(兵器材料科学与工程.36(6)，2013.11.)也验证了泡沫填充结构可以有效提升原型防撞梁的屈服力和吸能特性，但填充结构的功能仅限于提升抗弯曲能力，而对于行人保护和变形引导与自恢复方面存在欠缺。文献综合调研发现，现有的汽车防撞梁总成难以同时满足行人保护、低速碰撞吸能和高速碰撞变形传递的应用需求。因此，需要设计既刚又柔，且具有高吸能特性和变形引导与抑制的新型防撞梁总成。

发明内容

针对现有汽车防撞梁总成在行人保护、低速碰撞吸能和高速碰撞变形传递等方面存在的问题，而提供一种与现有防撞梁总成填充结构和功能完全不同的新型防撞梁总成，即一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成。本发明主要包括弧形防撞横梁、多稳态吸能盒和安装板，首次引入具有特定多稳态力学特性的变尺度多稳态单胞阵列结构作为弧形防撞横梁和吸能盒的填充材料，且弧形防撞横梁本身具有双稳态特性。通过不同层级结构的尺度递变和多个稳定构型变换来达到高效吸收冲击能、局部变形引导与抑制和行人保护的性能需求。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于多稳态单胞结构的多级安全防撞梁总成，其特征在于：包括弧形防撞横梁、吸能盒和安装板，所述弧形防撞横梁的两端分别与所述吸能盒相连接，所述吸能盒与所述安装板相连接；所述弧形防撞横梁和所述吸能盒内部填充有多层级多稳态单胞结构，所述弧形防撞梁、所述吸能盒和所述安装板组成的整体结构为具有稳定构型的防撞梁总成。