一种应用于复合材料汽车门槛的正多边形等截面防撞结构的制作方法

本发明涉及一种应用于复合材料汽车门槛的正多边形等截面防撞结构，采用连续纤维增强的复合材料，属于汽车防撞保护装置技术领域。

背景技术：

随着汽车技术的发展，对于汽车被动安全的要求也逐步挺高。作为c-ncap强制性标准评价之一的可变形移动壁障速度50km/h与车辆的侧面碰撞，正是对汽车被动安全中门槛结构和强度的测试和考量，汽车门槛内部的防撞结构直接关系到发生碰撞时汽车门槛是否可以吸收和分散足够的碰撞能量，降低门槛的侵入量，减少对驾乘人员的伤害，保护车内驾乘人员的生命安全。与此同时，轻量化对汽车行业提出了新的要求，开发满足轻质且符合行业安全要求的汽车零部件，成为了当下汽车产业的发展趋势。目前，市场上已有多款采用复合材料作为原材料的汽车结构件的商品化汽车，其应用部位有复合材料汽车顶盖、复合材料汽车地板、复合材料汽车门槛等。利用复合材料所具备的密度小、比强度高、各向异性可设计性等优点，其所开发的部件具备质量小，强度高，耐疲劳性好等特点。但是，相关复合材料零部件设计，以及与复合材料零部件相关联的零件也需要针对全新要求与工况进行重新的创新设计。

以复合材料汽车侧围及其所属的复合材料汽车门槛为例，原有的在金属汽车门槛内部通过焊接方式连接分段式金属门槛加强板的方式，因零件强度、连接工艺和电偶腐蚀等原因已经不适用于复合材料汽车门槛。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明的目的在于提供了一种应用于复合材料汽车门槛的正多边形等截面防撞结构，其提高复合材料汽车门槛结构强度，在汽车发生侧向碰撞时，降低汽车门槛侵入量，并吸收冲击能量以保证乘车人员安全，且连接工艺简单、便于生产与替换、成本较低、无电偶腐蚀。

本发明的技术方案是这样实现的：一种应用于复合材料汽车门槛的正多边形等截面防撞结构，包括正多边形等截面纤维增强结构和吸能填充物两部分；其特征在于：正多边形等截面纤维增强结构包括本体和外表面抗冲击层；正多边形等截面纤维增强结构外侧轮廓截面与汽车门槛腔体内侧截面等比例，且正多边形等截面纤维增强结构外侧轮廓截面与汽车门槛腔体内侧表面设置有0~1mm的粘接间隙，粘接间隙填充韧性结构胶，粘接厚度为1mm，在正多边形等截面纤维增强结构本体外部缠绕纤维增强胶带，外表面抗冲击层以﹢45°和-45°两个方向缠绕于正多边形等截面纤维增强结构本体外侧，缠绕层数为1~3层；在本体内部中设置有吸能填充物，吸能填充物采用高吸能比的泡沫型材或加注于腔体内自发泡硬化泡沫。

所述的正多边形等截面纤维增强结构本体由多个正多边形结构单元构成。

所述的正多边形结构单元中心处设置有传力加强柱，传力加强柱通过梯形加强筋与正多边形结构单元硬点连接，传力加强柱在车身纵向作为一个连续柱状结构可有效传递来自于车身正面碰撞的冲击能量，同时传力加强柱和梯形加强筋的组合可将车身所受的侧面碰撞能量有效分散传递至正多边形等截面纤维增强结构本体中其他正多边形结构单元。

所述的正多边形结构单元边长为5~30mm，边的数目大于等于4，优选正六边形结构单元。

所述的正多边形结构单元厚度为2~3mm。

所述的传力加强柱直径为3~5mm。

所述的梯形加强筋为等腰梯形，其中梯形边与高度方向夹角为0°~5°，梯形加强筋设计利用梯形边与高度方向的夹角，使正多边形等截面防撞结构在承受较强的侧向碰撞时，可以沿倾角位置溃缩吸能。

所述的正多边形等截面纤维增强结构本体，由沿正多边形等截面防撞结构长度方向铺设的碳纤维或编织的碳纤维预成型体，通过环氧树脂浸润在拉挤工艺下固化成型，选用的环氧树脂拉挤速度范围为0.4~1m/min，采用沿正多边形等截面防撞结构长度方向铺设的碳纤维可有效的承载车身正向碰撞冲击力，采用编织的碳纤维预成型体，可有针对性的设计正多边形等截面纤维增强结构本体的承力结构。

所述的正多边形等截面纤维增强结构外表面抗冲击层是通过浸润树脂后的超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳纤维、玻璃纤维胶带中的一种或几种。

本发明积极效果是其采用纤维复合材料，适用于当下轻量化要求下所提出的复合材料汽车门槛结构，避免了原有金属加强结构与复合材料汽车门槛连接时所存在的电偶腐蚀风险；采用拉挤工艺生产，具备连续、高效、自动化生产制造能力；内部腔体采用连续纤维作为增强材料，加之外部缠绕纤维增强胶带和腔体内部填充高吸能比泡沫，并通过合理的内部结构设计，有效提高了复合材料汽车门槛的强度和刚度，在车辆发生侧向碰撞时减少了汽车门槛的侵入量，其通过梯形加强筋及高吸能比泡沫有效吸收碰撞冲击力；通过正多边形等截面防撞结构外部型面与汽车门槛内部定位，采用韧性结构胶粘接固定，减少了焊接工装设计，操作简单方便。

附图说明

图1是本发明实施例中正多边形等截面防撞结构与复合材料汽车门槛装配的示意图。

图2是本发明实施例中正多边形等截面防撞结构的示意图。

图3是本发明实施例中正多边形等截面防撞结构的截面示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目标所采取的技术手段及功效，其后结合附图及较佳实施例，对本发明的提出的应用于复合材料汽车门槛的正多边形等截面防撞结构的具体实施方式、结构、特征及功效进行说明，详细说明如下所述。

一种应用于复合材料汽车门槛的正多边形等截面防撞结构，包括正多边形等截面纤维增强结构和吸能填充物两部分；其特征在于：正多边形等截面纤维增强结构包括内部腔体和外表面抗冲击层；正多边形等截面纤维增强结构外侧轮廓截面与汽车门槛腔体内侧截面等比例相似，且正多边形等截面纤维增强结构外侧轮廓截面与汽车门槛内腔表面设置有0~1mm的粘接间隙，粘接间隙填充韧性结构胶，粘接厚度为1mm，能提供足够粘接力，并且吸纳零件间尺寸匹配公差；在正多边形等截面纤维增强结构本体外部缠绕纤维增强胶带，正多边形等截面纤维增强结构外表面抗冲击层以﹢45°和-45°两个方向缠绕于正多边形等截面纤维增强结构本体外侧，缠绕层数为1~3层；在内部腔体中设置有吸能填充物，吸能填充物采用高吸能比的泡沫型材或加注于腔体内自发泡硬化泡沫。

所述的正多边形等截面纤维增强结构本体由多个正多边形结构单元构成。

所述的正多边形结构单元中心处设置有传力加强柱，传力加强柱通过梯形加强筋与正多边形结构单元硬点连接，传力加强柱在车身纵向作为一个连续柱状结构可有效传递来自于车身正面碰撞的冲击能量，同时传力加强柱和梯形加强筋的组合可将车身所受的侧面碰撞能量有效分散传递至正多边形等截面纤维增强结构本体中其他正多边形结构单元。

所述的正多边形结构单元边长为5~30mm，边的数目大于等于4，优选正六边形结构单元。

所述的正多边形结构单元厚度为2~3mm。

所述的传力加强柱直径为3~5mm。

所述的梯形加强筋为等腰梯形，其中梯形边与高度方向夹角为0°~5°，梯形加强筋设计利用梯形边与高度方向的夹角，使正多边形等截面防撞结构在承受较强的侧向碰撞时，可以沿倾角位置溃缩吸能。

所述的正多边形等截面纤维增强结构本体，由沿正多边形等截面防撞结构长度方向铺设的碳纤维或编织的碳纤维预成型体，通过环氧树脂浸润在拉挤工艺下固化成型，选用的环氧树脂拉挤速度范围在0.4~1m/min之间。优选采用沿正多边形等截面防撞结构长度方向铺设的碳纤维可有效的承载车身正向碰撞冲击力，且结构设计与工艺生产更为简便；若采用编织的碳纤维预成型体，可有针对性的设计正多边形等截面纤维增强结构本体的承力结构。

所述的正多边形等截面纤维增强结构外表面抗冲击层为通过浸润树脂后的超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、硼纤维、碳纤维、玻璃纤维胶带中的一种或几种，通过±45°铺层设计，有效承载来自于车身侧向冲击的面外载荷，提高正多边形等截面防撞结构的整体零件强度。

所述的正多边形等截面纤维增强结构本体中的吸能填充物，选用高吸能比的泡沫型材或加注于腔体内自发泡硬化泡沫，通过泡孔结构的塑形变形有效吸收碰撞能量，缓冲乘员舱内部所受冲击力，提高车内驾乘人员的安全保障。

所述的正多边形等截面防撞结构通过韧性结构胶粘接方式固定于汽车门槛内腔，韧性结构胶在保证正多边形等截面防撞结构粘接固定作用外，还可有效吸收和过滤部分传导至汽车门槛部位的振动。

实施例1

图1是本发明实施例中正多边形等截面防撞结构100与复合材料汽车门槛装配的示意图。如图1所示，本实施例中正多边形等截面防撞结构100的右侧外轮廓面与复合材料汽车门槛内板200内腔面贴合，两者间通过韧性结构胶粘接固定；而后将正多边形等截面防撞结构100的左侧外轮廓面涂覆韧性结构胶，与复合材料汽车门槛外板内腔面粘接固定；所述的正多边形等截面防撞结构100外部轮廓面与复合材料汽车门槛内腔表面间设置有0~1mm的粘接间隙，用以作为上述韧性结构胶涂覆空间。所选的韧性结构胶在保证正多边形等截面防撞结构粘接固定作用外，还可有效吸收和过滤部分传导至汽车门槛部位的振动。通过上述装配，正多边形等截面防撞结构100在复合材料汽车门槛腔体内部形成有效的支撑和防撞结构，提高复合材料汽车门槛结构强度，在汽车发生侧向碰撞时，降低汽车门槛侵入量，并吸收冲击能量以保证乘车人员安全。

如图2所示，为本实施例中正多边形等截面防撞结构的示意图。

如图3所示，为本发明实施例中正多边形等截面防撞结构的截面示意图。

所述的正多边形等截面纤维增强结构本体110由多个正多边形结构单元111构成，多个正多边形结构单元111之间紧密排布，形成彼此间互相支撑且力学传递的防撞结构。

在所述的正多边形结构单元111内中心处设计有传力加强柱111-2。在正多边形结构单元111中，传力加强柱111-2通过梯形加强筋111-1与正多边形结构单元111上硬点连接，传力加强柱111-2在车身纵向作为一个连续柱状结构可有效传递来自于车身正面碰撞的冲击能量，同时传力加强柱111-2和梯形加强筋111-1的组合可将车身所受的侧面碰撞能量有效分散传递至正多边形等截面纤维增强结构本体中其他正多边形结构单元111。

进一步，所述的梯形加强筋111-1为等腰梯形，其中梯形边与高度方向夹角为0°~5°，梯形加强筋设计利用梯形边与高度方向的夹角，使正多边形等截面防撞结构在承受较强的侧向碰撞时，可以沿倾角位置溃缩吸能。

本实施例中，正多边形结构单元111采用正六边形，优选方案为正六边形边长20mm，优选方案正多边形结构单元厚度2mm；优选传力加强柱111-2直径为3mm；优选梯形边与高度方向夹角为3°

根据以上零件尺寸，对正多边形等截面纤维增强结构本体110的拉挤工艺模具进行尺寸设计。本实施例中，采用沿正多边形等截面防撞结构长度方向铺设的碳纤维，通过环氧树脂浸润在拉挤工艺下固化成型，选用的环氧树脂拉挤速度范围在0.4~1m/min之间，所采用的沿正多边形等截面防撞结构长度方向铺设的碳纤维可有效的承载车身正向碰撞冲击力，且结构设计与工艺生产更为简便。

待正多边形等截面纤维增强结构本体110成型后，使用砂纸对正多边形等截面纤维增强结构本体110外表面进行打磨，以保证后续在正多边形等截面纤维增强结构本体110外表面缠绕固化正多边形等截面纤维增强结构外表面抗冲击层120的过程中，提供粗糙的树脂固化表面。将正多边形等截面纤维增强结构本体110置于缠绕工装上，而后在正多边形等截面纤维增强结构本体110外部缠绕纤维增强胶带，以﹢45°和-45°两个方向缠绕于正多边形等截面纤维增强结构本体110外侧，缠绕层数为1~3层，形成所述的正多边形等截面纤维增强结构外表面抗冲击层120。本实施例采用抗冲击强度更好，韧性更高的芳纶纤维增强胶带，并通过±45°铺层设计缠扰2层，有效承载来自于车身侧向冲击的面外载荷，提高正多边形等截面防撞结构的整体零件强度。

进一步，在经过缠扰加固成型后的正多边形等截面纤维增强结构本体110中，在其梯形加强筋111-1所形成的三角形空腔130中，通过填充高吸能比的泡沫型材或加注于腔体内自发泡硬化泡沫，利用泡孔结构的塑形变形有效吸收碰撞能量，缓冲乘员舱内部所受冲击力，提高车内驾乘人员的安全保障。本实施例中采用与三角形空腔尺寸一致的泡沫型材填充，具备制备简单，操作方便等工艺优点。

实施例2

本实施例中，正多边形等截面防撞结构100中正多边形等截面纤维增强结构本体110，采用环形三维纤维编织机制备正多边形等截面纤维增强结构本体110中的多维度纤维增强预成型体，其多维度纤维增强预成型体的纤维编织方向根据所需受力工况进行定制化设计，而后将多维度纤维增强预成型体在牵引装置下通过拉挤工艺设备，与环氧树脂固化形成正多边形等截面纤维增强结构本体110。相比于实施例一中沿正多边形等截面防撞结构长度方向铺设的碳纤维所成型的正多边形等截面纤维增强结构本体110，其具备更为复杂的力学承载潜在能力，纤维层间更为稳定，但其成型工艺较为复杂，成型速度较慢。

以上所述的实施例近视本发明的较佳实施例中的一种，并非作为本发明的任何形式上的限制，任何在本发明的技术方案上做出的简单变形、修饰及其他等同变化的等效实施例，但凡未脱离本发明技术方案内容，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。