一种带螺旋内筋的梯度吸能装置

技术领域

本发明涉及新能源汽车车身结构设计领域，尤其涉及一种带螺旋内筋的梯度吸能装置。

背景技术

随着我国新能源汽车产业迅猛发展，汽车碰撞安全问题已成为产业发展面临的重要问题之一。传统汽车被动安全防护装置均由薄壁金属制成，在发生碰撞时，可以通过自身的塑性溃缩变形耗散冲击能量。从而降低车速、保护汽车主要部件和乘员的安全，因此薄壁金属吸能结构在新能源车身结构耐撞性领域得到了广泛应用。

科研和工程设计人员对薄壁金属管(特别是圆管和方管等)进行了大量研究，发现在轴向压溃过程中圆管和方管的初始峰值力高，碰撞力-位移曲线波动大，不利于乘员的保护。为了降低峰值力和碰撞力-位移曲线波动，研究人员和工程师提出了多种轴向波纹或轴向压痕结构。虽然能在一定程度上减小峰值力和碰撞力-位移曲线波动，但是轴向波纹或压痕的引入会触发结构屈曲、降低结构整体的吸能能力。为此，本专利通过深入分析薄壁金属吸能结构的吸能机理，提出一种带螺旋内筋的梯度吸能装置，对提高新能源汽车车身吸能结构的综合耐撞性能具有十分重要的意义。

发明内容

基于上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种带螺旋内筋的梯度吸能装置，包括吸能主体和能够触发吸能主体产生塑性绞线的螺旋内筋，所述吸能主体为两端开口的中空状结构，所述螺旋内筋通过激光焊接连接在吸能主体的内壁，所述螺旋内筋宽度、螺旋内筋厚度和螺旋内筋螺距根据碰撞性能综合指标优化获得，所述螺旋内筋宽度小于等于吸能主体特征尺寸的10％，所述螺旋内筋厚度小于等于吸能主体特征厚度的60％，所述螺旋内筋的线数根据碰撞性能综合指标优化设置。

优选地，所述吸能主体的截面包括但不限于圆形、四边形、六边形和八边形中的一种。

优选地，所述吸能主体的轴向具有一定的锥度，所述锥度小于等于5°，所述吸能主体包括但不限于圆锥管和四棱锥管中的一种。

优选地，所述吸能主体的截面为圆形时，吸能主体特征尺寸为吸能主体截面直径；所述吸能主体的截面为正多边形时，吸能主体特征尺寸为吸能主体多边形边长；所述吸能主体的截面为锥管时，吸能主体特征尺寸为吸能主体大端的特征尺寸。

优选地，所述吸能主体特征厚度为吸能主体平均厚度。

优选地，所述螺旋内筋的线数小于等于5。

优选地，所述吸能主体的厚度设置为在塑性绞线生成的地方尺寸较大，在远离塑性绞线的地方尺寸较小。

优选地，所述吸能主体的厚度在与螺旋内筋连接处时达到最大，远离螺旋内筋时梯度渐变减小。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：

1)通过本发明提出的带螺旋内筋的梯度吸能装置，可以实现吸能主体塑性绞线的调控，从而降低峰值力、提高耗能能力和减小碰撞力-位移曲线波动。

2)本发明提出的带螺旋内筋的梯度吸能装置由螺旋内筋和吸能主体通过激光焊接工艺连接而成，相比利用金属挤压技术将管件制造成波纹管或压痕管来说，制造成本大大降低。

附图说明

图1带单线螺旋内筋的吸能装置示意图；

图2吸能装置主体示意图；

图3单线螺旋内筋示意图；

图4带双线螺旋内筋的吸能装置图及剖视图；

图5双线螺旋内筋示意图；

图6带双线螺旋内筋的吸能装置耐撞性能示意图；

图7带双线螺旋内筋的吸能装置变形模式示意图。

附图中，各标号所代表的部件名称如下：1-吸能装置、2-吸能主体、3-螺旋内筋、4-螺旋内筋螺距、5-螺旋内筋宽度、6-双线螺旋内筋的吸能装置、7-吸能主体断面、8-螺旋内筋厚度、9-尺寸较小端吸能主体的厚度、10-尺寸较大端吸能主体的厚度、11-传统圆管变形模式、12-波纹管变形模式、13-双线螺旋内筋圆管吸能装置变形模式。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提出了一种带螺旋内筋的梯度吸能装置，包括吸能主体2和能够触发吸能主体2产生塑性绞线的螺旋内筋3，吸能主体2为两端开口的中空状结构，螺旋内筋3通过激光焊接连接在吸能主体2的内壁，螺旋内筋宽度5、螺旋内筋厚度8和螺旋内筋螺距4根据碰撞性能综合指标优化获得，螺旋内筋宽度5小于等于吸能主体特征尺寸的10％，螺旋内筋厚度8小于等于吸能主体特征厚度的60％，螺旋内筋3的线数根据碰撞性能综合指标优化设置。

进一步地，吸能主体2的截面包括但不限于圆形、四边形、六边形和八边形中的一种。

进一步地，吸能主体2的轴向具有一定的锥度，锥度小于等于5°，吸能主体2包括但不限于圆锥管和四棱锥管中的一种。

进一步地，吸能主体2的截面为圆形时，吸能主体特征尺寸为吸能主体截面直径；吸能主体2的截面为正多边形时，吸能主体特征尺寸为吸能主体多边形边长；吸能主体2的截面为锥管时，吸能主体特征尺寸为吸能主体大端的特征尺寸。

进一步地，吸能主体特征厚度为吸能主体2平均厚度。

进一步地，螺旋内筋3的线数小于等于5。

进一步地，吸能主体2的厚度设置为在塑性绞线生成的地方尺寸较大，在远离塑性绞线的地方尺寸较小。

进一步地，吸能主体2的厚度在与螺旋内筋3连接处时达到最大，远离螺旋内筋3时梯度渐变减小。

现结合附图对本发明做进一步的详细说明：

实施例1螺旋内筋为单线吸能主体截面为圆管的吸能装置

如图1～3所示，本发明提出的带螺旋内筋的吸能装置1由吸能主体2和螺旋内筋3通过激光焊接工艺实现连接。吸能主体2主要作用是吸收耗散碰撞的冲击能量，螺旋内筋3的作用是触发吸能主体2产生塑性绞线。通过金属材料塑性力学分析和仿真计算可知，当螺旋内筋宽度5和螺旋内筋厚度8取适当的设计值时，吸能主体2的表面会产生与螺旋内筋等长度的塑性绞线。因此，可以通过设计螺旋内筋厚度8、螺旋内筋宽度5和螺旋内筋螺距4实现吸能主体2碰撞吸能的提升。更重要的是螺旋内筋螺距4直接影响碰撞力-位移曲线波动，所以本发明提出的带螺旋内筋的吸能装置1可以实现碰撞力-位移曲线波动性能的量化定制。

进一步地，通过仿真计算可知，螺旋内筋3吸收冲击能量只占据总体耗能的10％左右，所以螺旋内筋3的作用不是吸收冲击能量，而是触发吸能主体变形。通过参数优选，规定螺旋内筋参数选择范围如下：螺旋内筋宽度5小于等于吸能主体特征尺寸的10％。吸能主体2的截面为圆形时，吸能主体特征尺寸为吸能主体截面直径；吸能主体2的截面为正多边形时，吸能主体特征尺寸为吸能主体多边形边长；吸能主体2的截面为锥管时，吸能主体特征尺寸为吸能主体大端的特征尺寸。螺旋内筋厚度8小于等于吸能主体特征厚度的60％，吸能主体特征厚度为其平均厚度。

实施例2螺旋内筋为双线吸能主体厚度梯度渐变的吸能装置

图4为带双线螺旋内筋的吸能装置6，进一步可以设计吸能主体2的厚度梯度渐变分布，实现在塑性绞线生成的地方尺寸较大，在远离塑性绞线的地方尺寸较小，实现“材料定制”，获得更优的碰撞性能。此外，螺旋内筋3的线数可以根据需要进行优化设置，但是螺旋内筋3的总线数小于等于5。

图5所示为双线螺旋内筋示意图，多线螺旋内筋同样可以通过设计螺旋内筋厚度8、螺旋内筋宽度5和螺旋内筋螺距4实现带多线螺旋内筋的吸能装置碰撞性能的调节。

实施例3传统圆管和波纹管吸能装置与螺旋内筋为双线吸能主体截面为圆管的吸能装置对比测试

为了说明本发明带螺旋内筋吸能装置的吸能效果，将传统圆管、波纹管和带双线螺旋内筋的吸能装置6进行压溃分析，并提取碰撞力-位移曲线、吸能-位移曲线、变形模式和性能指标，如图6和图7所示。从图7中可以看出，传统圆管变形模式11顶端是“手风琴”式变形模式，而底端是“砖石”模式，由于圆管轴向没有引导结构，所以轴向塑性绞线较少；波纹管变形模式12整体均为“手风琴”式变形模式，由于波纹管轴向有触发变形的波纹，所以波纹管塑性绞线数量等于波纹的数量；而双线螺旋内筋圆管吸能装置变形模式13与内筋分布参数密切相关，塑性绞线均产生在内筋与吸能主体2的“T”字形连接处，因此可以从双线螺旋内筋圆管吸能装置变形模式13看出，带双线螺旋内筋的吸能装置6的塑性绞线数量是最多的，塑性绞线的长度与螺旋内筋3的长度近似相等。从图6中的碰撞力-位移曲线、吸能-位移曲线可以看出，相比传统圆管，波纹管虽然能限制降低峰值力和碰撞力-位移曲线波动，但是其吸能能力也大大降低。而带双线螺旋内筋的吸能装置6不仅显著降低了峰值力和碰撞力-位移曲线波动，其吸能能力也得到了明显提升。为了量化本发明提出的带双线螺旋内筋的梯度吸能装置优势，提取碰撞性能指标如下：传统圆管的峰值力、吸能、比吸能和碰撞力-位移曲线波动指标分别为41kN、1.77kJ、16.56kJ/kg和0.95，波纹管的峰值力、吸能、比吸能和碰撞力-位移曲线波动指标分别为12.5kN、1kJ、8.89kJ/kg和0.18，本发明提出的带双线螺旋内筋的梯度吸能装置的峰值力、吸能、比吸能和碰撞力-位移曲线波动指标分别为43kN、2.7kJ、19.3kJ/kg和0.46。相比传统圆管，带双线螺旋内筋的梯度吸能装置的峰值力和碰撞力-位移曲线波动指标降低了19.5％、51.8％，吸能和比吸能分别提高了46.9％、16.6％。相比波纹管，带双线螺旋内筋的梯度吸能装置的吸能和比吸能分别提高了170％、117％，峰值力和碰撞力-位移曲线波动指标也略有提高。综上所述，本发明公开的一种带螺旋内筋的梯度吸能装置相较传统结构，具有更优的综合碰撞性能。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。