本發(fā)明涉及車輛碰撞安全與智能結構領域，尤其涉及一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結構的多級安全防撞梁總成。

背景技術：

防撞梁是汽車車身的重要組成部分，在“低速碰撞”和“行人保護”兩方面起著關鍵性的作用，因而如何改善其抗撞性能(如傳力性能、吸能效率和強度等)是汽車被動安全領域的研究熱點問題。目前的防撞梁主要采用不同的單一截面形狀(矩形、三角形)或填充蜂窩材料(六邊形或八邊形蜂窩結構)的方法增大其緩沖及吸能能力。實際上，事故傷亡統(tǒng)計分析結果表明，在低速碰撞過程中防撞梁更需要吸收沖擊能量和撞后變形恢復功能以保護行人或駕乘人員生命安全，同時能夠抑制變形的傳遞路徑防止擠壓發(fā)動機或油路系統(tǒng)而引發(fā)二次事故。另外，在高速碰撞過程中需要將沖擊力合理導向車架并分散給整個車身，避免車體局部區(qū)域變形過大而導致乘客傷亡。因此，需要在防撞梁設計中既考慮沖擊吸能特性，又要考慮力和變形的傳遞路徑問題。

現(xiàn)有的防撞梁普遍采用矩形橫梁填充蜂窩材料或泡沫材料的方式來提升整體結構的吸能特性，但在變形和沖擊力的抑制或引導方面較為欠缺。例如，申請?zhí)枮?01510076507X的發(fā)明專利給出了一種橫梁內部填充有多空件的防撞橫梁結構，單胞結構為六邊形蜂窩結構，盡管該填充材料有效增加了防撞梁的抗彎剛度，但同時也會增加行人碰撞的傷害系數(shù)；申請?zhí)枮?01610606876X的發(fā)明專利給出了一種截面為目字形的防撞橫梁和8字形截面吸能盒總成結構，但分析其力學特性可以發(fā)現(xiàn)，橫梁碰撞變形將直接向后傳遞至吸能盒，并由吸能盒傳遞給車身進而造成二次傷害隱患，并且橫梁剛度仍然很大不利于碰撞行人保護；申請?zhí)枮?016106068609的發(fā)明專利給出的防撞梁為空腔式結構，無法撞后實現(xiàn)變形恢復；申請?zhí)枮?016107502031的發(fā)明專利給出了一種在導柱上布置彈簧的汽車吸能防撞梁，由于在防撞梁上額外增加了螺栓連接盤、導柱和彈簧等部件，存在結構復雜的問題，并且導柱剛性的碰撞危害性更大。再如，論文“泡沫鋁填充結構防撞梁耐撞性仿真研究”(兵器材料科學與工程.36(6)，2013.11.)也驗證了泡沫填充結構可以有效提升原型防撞梁的屈服力和吸能特性，但填充結構的功能僅限于提升抗彎曲能力，而對于行人保護和變形引導與自恢復方面存在欠缺。文獻綜合調研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的汽車防撞梁總成難以同時滿足行人保護、低速碰撞吸能和高速碰撞變形傳遞的應用需求。因此，需要設計既剛又柔，且具有高吸能特性和變形引導與抑制的新型防撞梁總成。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有汽車防撞梁總成在行人保護、低速碰撞吸能和高速碰撞變形傳遞等方面存在的問題，而提供一種與現(xiàn)有防撞梁總成填充結構和功能完全不同的新型防撞梁總成，即一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結構的多級安全防撞梁總成。本發(fā)明主要包括弧形防撞橫梁、多穩(wěn)態(tài)吸能盒和安裝板，首次引入具有特定多穩(wěn)態(tài)力學特性的變尺度多穩(wěn)態(tài)單胞陣列結構作為弧形防撞橫梁和吸能盒的填充材料，且弧形防撞橫梁本身具有雙穩(wěn)態(tài)特性。通過不同層級結構的尺度遞變和多個穩(wěn)定構型變換來達到高效吸收沖擊能、局部變形引導與抑制和行人保護的性能需求。

本發(fā)明采用的技術手段如下：

一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結構的多級安全防撞梁總成，其特征在于：包括弧形防撞橫梁、吸能盒和安裝板，所述弧形防撞橫梁的兩端分別與所述吸能盒相連接，所述吸能盒與所述安裝板相連接；所述弧形防撞橫梁和所述吸能盒內部填充有多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構，所述弧形防撞梁、所述吸能盒和所述安裝板組成的整體結構為具有穩(wěn)定構型的防撞梁總成。

進一步地，所述弧形防撞橫梁具有多穩(wěn)態(tài)結構，由陣列式多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構填充，所述弧形防撞橫梁由可動外蓋和橫梁固定板組成。

進一步地，所述多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構由2個弧形梁和2個縱梁首尾依次連接構成，多個單胞之間通過共用縱梁的方式互連形成層狀結構，各層之間通過弧形梁中點處的縱梁依次連接形成陣列填充結構。

進一步地，所述多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構中的弧形梁為具有雙穩(wěn)態(tài)特征的結構，包括拱形梁、余弦梁、曲梁、拱形板、余弦輪廓板和類球缺式的鼓包結構。

進一步地，所述吸能盒由多層級雙穩(wěn)態(tài)單胞結構組成，并與所述弧形防撞橫梁和所述安裝板連接。雙穩(wěn)態(tài)單胞結構無需外力，結構能夠保持在兩個穩(wěn)定狀態(tài)。單胞結構具有雙穩(wěn)態(tài)特性，通過在不同的層上布置不同尺寸的雙穩(wěn)態(tài)單胞結構連接，使整個橫梁結構可以穩(wěn)定保持在多個穩(wěn)定狀態(tài)。

進一步地，所述弧形防撞橫梁和所述吸能盒包含的各層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構的幾何尺寸逐漸增加。幾何尺寸變化是有序的，結構有外向內尺寸依次增加。

進一步地，所述弧形防撞橫梁的外輪廓可為余弦、拱形、弧形或V形結構。

進一步地，所述可動外蓋為開口矩形腔體結構，所述可動外蓋的頂蓋與其內部填充的由所述多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構組成的多胞結構連接，所述可動外蓋的側蓋與其內部填充的多胞結構存在間隙，不連接。

進一步地，所述橫梁固定板與所述弧形防撞橫梁內填充的多胞結構的最外層連接，并與所述吸能盒的一端連接。

進一步地，防撞梁總成的材料為輕質金屬或復合材料。

較現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明第一次將多穩(wěn)態(tài)單胞結構應用于汽車防撞梁總成設計中，具有以下優(yōu)點：

1、引入具有特定多穩(wěn)態(tài)力學特性的變尺度多穩(wěn)態(tài)單胞陣列結構作為防撞橫梁和吸能盒的填充材料，使整體防撞梁總成結構具有多種穩(wěn)定構型，在不同的碰撞等級載荷作用下防撞橫梁和吸能盒在多個穩(wěn)定構型之間切換，即將外界沖擊能存儲于自身的結構變形能，不進行變形傳遞，有效抑制和阻隔變形向車身的傳遞，避免發(fā)生碰撞事故二次傷害，保護駕乘人員的生命安全。

2、借助多穩(wěn)態(tài)結構的變形存在互逆性，當碰撞結束后，可以借助外力將防撞梁和吸能盒恢復原貌，恢復其碰撞吸能保護特性，降低事故車輛的修復成本。

3、本發(fā)明率先引入層級多胞結構變尺度的概念，通過不同層級結構的尺度遞變實現(xiàn)防撞梁整體結構由柔變剛的過程，達到保護行人的目的。

本發(fā)明還具有制造工藝簡單，多穩(wěn)態(tài)特性可調，跳轉特性穩(wěn)定、重復性好的優(yōu)點，還可適用于空間飛行器返回、建筑安全保護裝置、儀器避撞保護系統(tǒng)等各類碰撞安全保護系統(tǒng)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖做以簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結構的多級安全防撞梁總成的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明多穩(wěn)態(tài)單胞結構的示意圖。

圖3是本發(fā)明防撞橫梁局部剖視圖。

圖4是本發(fā)明多級多穩(wěn)態(tài)吸能盒的結構剖視圖(尺寸漸變)。

圖5是本發(fā)明可動外蓋與內部填充多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構的示意圖。

圖6是本發(fā)明防撞橫梁的多級變形保護策略圖。

圖7是第一層級單胞結構的力位移關系曲線。

圖8是第二層級單胞結構的力位移關系曲線。

圖9是第三層級單胞結構的力位移關系曲線。

圖10是第四層級單胞結構的力位移關系曲線。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖1所示，一種基于多穩(wěn)態(tài)單胞結構的多級安全防撞梁總成，包括弧形防撞橫梁100、吸能盒200和安裝板300。所述弧形防撞橫梁100的兩端分別與所述吸能盒200相連接，所述吸能盒200與所述安裝板300相連接；所述弧形防撞橫梁100和所述吸能盒200內部填充有多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構101，所述弧形防撞梁100、所述吸能盒200和所述安裝板300組成的整體結構為具有穩(wěn)定構型的防撞梁總成。防撞梁總成的材料為輕質金屬或復合材料。

所述弧形防撞橫梁100具有多穩(wěn)態(tài)結構，由陣列式多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構101(如圖2所示)填充，所述弧形防撞橫梁100由可動外蓋105和橫梁固定板104組成。所述多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構101由2個弧形梁和2個縱梁首尾依次連接構成，多個單胞之間通過共用縱梁的方式互連形成層狀結構，各層之間通過弧形梁中點處的縱梁依次連接形成陣列填充結構。所述多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構101中的弧形梁為具有雙穩(wěn)態(tài)特征的結構，包括拱形梁、余弦梁、曲梁、拱形板、余弦輪廓板和類球缺式的鼓包結構。如圖3所示，所述多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構101所在的弧形梁Ⅰ、弧形梁Ⅱ102和弧形梁Ⅲ分別為三條不同尺寸的弧形梁，具有不同的穩(wěn)態(tài)特性。

所述吸能盒200由多層級雙穩(wěn)態(tài)單胞結構201組成，雙穩(wěn)態(tài)單胞結構無需外力，結構能夠保持在兩個穩(wěn)定狀態(tài)。單胞結構具有雙穩(wěn)態(tài)特性，通過在不同的層上布置不同尺寸的雙穩(wěn)態(tài)單胞結構連接，使整個橫梁結構可以穩(wěn)定保持在多個穩(wěn)定狀態(tài)，并與所述弧形防撞橫梁100和所述安裝板300連接。

所述弧形防撞橫梁100和所述吸能盒200包含的各層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構的幾何尺寸逐漸增加。幾何尺寸變化是有序的，結構有外向內尺寸依次增加。所述弧形防撞橫梁100的外輪廓可為余弦、拱形、弧形或V形結構。

如圖4所示，雙穩(wěn)態(tài)弧形梁Ⅰ202、雙穩(wěn)態(tài)弧形梁Ⅱ203、雙穩(wěn)態(tài)弧形梁Ⅲ204、雙穩(wěn)態(tài)弧形梁Ⅳ205分別為不同尺寸和具有不同特性的雙穩(wěn)態(tài)弧形梁，可適用于不同的碰撞強度。

如圖5所示，所述可動外蓋105為開口矩形腔體結構，所述可動外蓋105的頂蓋107與其內部填充的由所述多層級多穩(wěn)態(tài)單胞結構101組成的多胞結構連接，所述可動外蓋105的側蓋106與其內部填充的多胞結構存在間隙，不連接。所述橫梁固定板104與所述弧形防撞橫梁100內填充的多胞結構的最外層連接，并與所述吸能盒200的一端連接。

如圖6所示，是防撞橫梁的多級變形保護策略(結合圖3、4解釋)，當碰撞強度較低時，弧形防撞橫梁100最外層單胞結構快速發(fā)生變形，減緩碰撞強度并將碰撞變形抑制于第一層單胞結構，即一級碰撞保護。當外界碰撞強度較大時，第二層單胞快速發(fā)生變形并減緩碰撞強度，抑制碰撞變形向車身傳播，即二級碰撞保護。當碰撞強度進一步增大時，吸能盒200結構發(fā)生變形吸能，抑制碰撞能量向車身傳播，即三級碰撞保護。當碰撞強度最大時，防撞橫梁結構整體發(fā)生變形，以減緩碰撞強度，實現(xiàn)四級碰撞保護。整體而言，結構具有多個的跳躍閾值力。當發(fā)生一級碰撞時，碰撞作用力處于一級單胞的跳躍閾值力和二級單胞的跳躍閾值力之間，一級單胞發(fā)生較大變形吸收碰撞能量。隨著碰撞等級的升高，碰撞作用力升高且超過了更高層級單胞的跳躍閾值力，更多厚度較厚的高層級單胞也發(fā)生跳躍變形吸收能量，結構吸收的碰撞能量也越多。此外，結構在低速碰撞時發(fā)生多級大行程彈性形變，平均作用力較小，有利于保護行人，在碰撞后可恢復原狀，有利于防撞梁的重復使用，節(jié)省維修成本。

如圖7所示，是第一層級單胞結構的力位移關系曲線，作用力極大值點是單胞結構的跳躍閾值力，作用力極小值點是單胞結構的穩(wěn)態(tài)保持力。結構的初始位置為第一穩(wěn)態(tài)位置，在外界碰撞力的作用下，結構發(fā)生變形，當外界碰撞慣性力達到跳躍閾值力時，單胞結構迅速達到第二穩(wěn)態(tài)位置，并將一部分碰撞能量吸收儲存起來。同理，圖8-10是防撞橫梁、吸能盒單胞結構的力位移曲線，在不同的碰撞慣性力作用下，單胞結構依次發(fā)生對應的碰撞變形，并存儲碰撞能量，保護乘員安全。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的范圍。