一种单胞结构、填充吸能盒及其设计方法

本发明属于吸能盒，具体涉及一种单胞结构、填充吸能盒及其设计方法。

背景技术：

1、吸能盒是车辆碰撞安全设计中一个重要部分，可以在碰撞的时候吸收和分散能量，以减轻碰撞对乘车人员的影响，吸能盒在车辆的前部、后部或侧面实施，吸能盒采用变形可控的结构，利用特定的材料和设计实现吸收和分散碰撞能力的目的，在碰撞发生时，吸能盒会发生可控的变形，将来自碰撞的能量逐步转移和分散，减少了能量直接传递到车辆乘客区域的情况，有助于保护车辆内部乘客，减轻车辆结构破坏程度。

2、传统的吸能盒主要是圆筒结构，内部呈空心状态，为一个金属薄壁构件，在碰撞时发生褶皱变形存在受力分布不均匀、能量吸收情况不理想、耐撞性的提高与汽车轻量化设计存在矛盾的缺点。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种单胞结构、填充吸能盒及其设计方法，旨在解决现有吸能盒受力分布不均、能量吸收不理想、耐撞性提高与汽车轻量化设计存在矛盾的技术问题。

2、第一方面，本发明实施例提供一种单胞结构，由四个处于同一平面的支撑结构围合形成，所述支撑结构包括呈v型的直线段胞壁和弧线段胞壁，预设同一个所述支撑结构中所述直线段胞壁和所述弧线段胞壁的交叉线为交叉轴，每个所述弧线段胞壁的轴线与横向相邻所述支撑结构中的交叉轴重合，横向上相邻两个所述支撑结构的直线段胞壁相连，纵向上相邻两个所述支撑结构的弧线段胞壁相连，预设两个所述直线段胞壁的交叉处连线纵轴，两个所述弧线段胞壁的交叉处连线为横轴，四个所述支撑结构以横轴和纵轴为径向轴均呈镜像分布。

3、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述弧线段胞壁的半径为8～16mm。

4、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述直线段胞壁与所述纵轴的夹角为90°～147°。

5、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，每个所述交叉轴与所述横轴的间距为4mm～6.85mm。

6、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，相邻所述直线段胞壁的交叉处设有第一连接杆，所述第一连接杆平行于所述纵轴；相邻所述弧线段胞壁的交叉处设有第二连接杆，所述第二连接杆平行于所述纵轴。

7、结合第一方面，在一种可能的实现方式中，每个所述交叉轴处还设有v型的突出部。

8、本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，采用了仿生设计的方法，基于鱼类在深海中可以抵抗巨大的压力，模仿鱼类尾部造型，得到本实施例单胞结构，并且其结构相对横轴和纵轴均呈径向，且弧线段胞壁的轴向与交叉轴重合，在受到冲击力的同时可以增大缓冲，从而保护车辆内部乘车人员的安全，提高吸能效果，有效降低车辆的损坏程度。

9、第二方面，本发明实施例还提供了一种填充吸能盒，包括外壳以及填充于所述外壳内的内芯，所述外壳为截面为六边形的筒结构，所述内芯包括多层沿所述外壳的轴向层叠的吸能层，每层所述吸能层结构相同，所述吸能层包括多个呈阵列分布的多胞结构，相邻所述多胞结构相互连接，所述多胞结构包括两个上述的单胞结构，两个所述单胞结构相互垂直，且各自的纵轴重合，所述单胞结构的纵轴平行于所述外壳的轴向。

10、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述多胞结构呈矩形阵列或圆形阵列。

11、结合第二方面，在一种可能的实现方式中，相邻两层所述吸能层内的所述多胞结构上下一一对应。

12、本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，通过碰撞模拟，六边形的外壳在受到冲击时的变形效果要优于传统形状的吸能盒，传统的吸能盒为空心结构，本申请中的内芯填充在外壳内，内芯填充后相比于外壳自身的重量增加较少，经过试验本实施例吸能盒的重量相较于传统的空心吸能盒增加重量20％，符合车辆的轻量化设计理念；在模拟时，吸能盒的初始阶段(接触刚性墙面的10毫秒内)本实施例吸能盒与传统吸能盒变化趋势基本相同，随着变形量的逐渐增加，碰撞过程进入主要变形阶段，本实施例填充吸能盒可以吸收更多的能量。

13、第三方面，本发明实施例还提供了一种填充吸能盒的设计方法，用于设计上述填充吸能盒，包括如下步骤：

14、s10：预设单胞结构的直线段胞壁长度为l、二分之一单胞结构高度为h、弧线段胞壁的圆弧角为β、弧线段胞壁的半径为r、直线段细胞壁与纵轴的夹角为θ；

15、s20：构建单胞结构的等效泊松比公式：

16、

17、其中，

18、b＝b0(b1+b2+b3)

19、a0＝4h+r

20、a1＝r2cosθ(2r-3α-3r cosβ)

21、a2＝r2sinθ(-9r sinβ+12αsinβ+12r cosβsinβ)

22、

23、a4＝r2α(cosβ-1)

24、a5＝r3cosβ(cosβ-1)

25、a6＝r3βcosβsinβ

26、a7＝r2αβsinβ

27、

28、b1＝rβ-2αsinβ+αcosβ

29、b2＝-3r cosβsinβ+2rβcosr2β+2αβcosβ

30、

31、

32、s30：令h＝6.4mm、r＝8mm，θ从90°至147°在有限元软件中逐渐变化，观察泊松比和等效弹性模量变化图像，将四种变化机制m、m+n、m+t和m+n+t各自的曲线与理想有限元曲线进行对比，选取差值最小的变化机制对应的曲线，并在该曲线中选取与理想有限元曲线差值最小的点对应的θ值，确定θ的值θ0；

33、s40：令h＝6.4mm，θ＝θ0，r从8mm～16mm在有限元软件中逐渐变化，观察泊松比和等效弹性模量变化图像，将四种变化机制m、m+n、m+t和m+n+t各自的曲线与理想有限元曲线进行对比，选取差值最小的变化机制对应的曲线，并在该曲线中选取与理想有限元曲线差值最小的点对应的r值，确定r的值r0；

34、s50：令r＝r0，θ＝θ0，h从4mm～6.85mm在有限元软件中逐渐变化，观察泊松比和等效弹性模量变化图像，将四种变化机制m、m+n、m+t和m+n+t各自的曲线与理想有限元曲线进行对比，选取差值最小的变化机制对应的曲线，并在该曲线中选取与理想有限元曲线差值最小的点对应的h值，确定h的值h0；

35、其中，m为弯矩，n为法向力，t为剪切力。

36、本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，通过在有限元软件中模拟，确定填充吸能盒的各个尺寸信息，可保证填充吸能盒的效果最优，并且效率较高，相比于制造出实体后进行碰撞试验，成本也更低。

技术特征：

1.一种单胞结构，其特征在于，由四个处于同一平面的支撑结构围合形成，所述支撑结构包括呈v型的直线段胞壁和弧线段胞壁，预设同一个所述支撑结构中所述直线段胞壁和所述弧线段胞壁的交叉线为交叉轴，每个所述弧线段胞壁的轴线与横向相邻所述支撑结构中的交叉轴重合，横向上相邻两个所述支撑结构的直线段胞壁相连，纵向上相邻两个所述支撑结构的弧线段胞壁相连，预设两个所述直线段胞壁的交叉处连线纵轴，两个所述弧线段胞壁的交叉处连线为横轴，四个所述支撑结构以横轴和纵轴为径向轴均呈镜像分布。

2.如权利要求1所述的单胞结构，其特征在于，所述弧线段胞壁的半径为8～16mm。

3.如权利要求1所述的单胞结构，其特征在于，所述直线段胞壁与所述纵轴的夹角为90°～147°。

4.如权利要求1所述的单胞结构，其特征在于，每个所述交叉轴与所述横轴的间距为4mm～6.85mm。

5.如权利要求1所述的单胞结构，其特征在于，相邻所述直线段胞壁的交叉处设有第一连接杆，所述第一连接杆平行于所述纵轴；相邻所述弧线段胞壁的交叉处设有第二连接杆，所述第二连接杆平行于所述纵轴。

6.如权利要求1所述的单胞结构，其特征在于，每个所述交叉轴处还设有v型的突出部。

7.一种填充吸能盒，其特征在于，包括外壳以及填充于所述外壳内的内芯，所述外壳为截面为六边形的筒结构，所述内芯包括多层沿所述外壳的轴向层叠的吸能层，每层所述吸能层结构相同，所述吸能层包括多个呈阵列分布的多胞结构，相邻所述多胞结构相互连接，所述多胞结构包括两个如权利要求1-6任意一项所述的单胞结构，两个所述单胞结构相互垂直，且各自的纵轴重合，所述单胞结构的纵轴平行于所述外壳的轴向。

8.如权利要求7所述的填充吸能盒，其特征在于，所述多胞结构呈矩形阵列或圆形阵列。

9.如权利要求7所述的填充吸能盒，其特征在于，相邻两层所述吸能层内的所述多胞结构上下一一对应。

10.一种填充吸能盒的设计方法，其特征在于，用于设计如权利要求6-8任意一项所述的填充吸能盒，包括如下步骤：

技术总结
本发明提供了一种单胞结构、填充吸能盒及其设计方法，属于吸能盒领域，所述单胞结构由四个处于同一平面的支撑结构围合形成，所述支撑结构包括呈V型的直线段胞壁和弧线段胞壁，每个所述弧线段胞壁的轴线与横向相邻所述支撑结构中的交叉轴重合，横向上相邻两个所述支撑结构的直线段胞壁相连，纵向上相邻两个所述支撑结构的弧线段胞壁相连，四个所述支撑结构以横轴和纵轴为径向轴均呈镜像分布。所述填充吸能盒包括外壳以及填充于所述外壳内的内芯，所述外壳为截面为六边形的筒结构，所述内芯包括多层沿所述外壳的轴向层叠的吸能层，所述吸能层包括多个呈阵列分布的多胞结构，所述多胞结构包括两个上述的单胞结构，两个所述单胞结构相互垂直。

技术研发人员：田瑞兰,李心怡,薛强,张小龙,韦方怡,肖程达,李绅,赵一冰,牛颷
受保护的技术使用者：石家庄铁道大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/2