一种基于剪纸图案设计的碰撞吸能盒的制作方法

本发明属于汽车、火车等交通工具防撞结构制造技术领域，涉及一种基于剪纸图案设计的碰撞吸能盒，具体为一种能在各种交通工具碰撞过程中吸收动能的碰撞吸能盒装置，是一种意外撞击时人身及货物安全性设计。

背景技术：

随科技不断发展，各种地面交通工具的运行速度不断加快，接踵而至的则是碰撞失事后生命及财产保障逐渐降低。目前，防止碰撞失事所带来的严重后果的有效方法则为在各类交通工具易于发生接触的部段安装特殊设计的碰撞吸能盒。常见的碰撞吸能盒为金属制作的薄壁结构管件及其衍生出的各类不同产品，通过其变形进行冲击能量的吸收、耗散。此类金属薄壁管件的应用范围十分广泛，在航天航空、火车、船舶等多个领域均涉及其应用，并且在生活中较为常见的汽车行业有着广泛的应用。

碰撞吸能盒作为碰撞失事中起防护作用的主要元件，一般与汽车保险杠、飞机的舱底等一些大概率发生碰撞的部位相连接。在碰撞过程中，碰撞吸能盒将交通工具的动能转化为其局部区域的塑性变性能，使人体、货物及工具其他部位的损伤最小化。提高碰撞吸能盒数目固然可有效提高防撞系统的吸能性能，但优质的结构构型可节约设计空间、减轻整体质量，为地面交通提供更为可靠的安全保障。

碰撞吸能盒的耐撞性优良通常由以下几个指标进行评判：

(1)具有较低的峰值载荷，以保障碰撞开始阶段传递的力不对人体或货物造成过多伤害；

(2)具有较高的比吸能(比吸能定义为吸收能量与自身质量的比值)；

(3)具有较为稳定的预设变形模式。

除以上标准还需满足实际需要，例如，制作加工流程较为简单，成本较低能够量产。然而目前用于制作碰撞吸能盒的薄壁结构多为方管或圆管，这类吸能结构受到撞击时将会传递一个较高峰值力，无法对人体及货物带来可靠安全保障。因此，产生了许多针对于薄壁吸能元件的结构设计。为提高碰撞吸能盒的能量吸收效率，不少设计会引入多胞结构。比如，在发明名称为“基于周期性蜂窝结构内芯的汽车吸能盒”、公开号为cn107856743a的专利中，结构以蜂窝单胞在三维空间连续扩展而成，吸能密度大，吸能稳定性高，但仍存在初始峰值力载荷过大的问题。而在降低初始峰值力方面，使碰撞吸能盒管壁变厚度是一种有效方案，名称为“一种连续变厚度的汽车吸能盒”，公开号为cn204340947u的专利中，使用多块从前端到后端逐渐增厚的连续变厚度钢板形成碰撞吸能盒，由于不同的刚度分布，能够在碰撞过程中按照对称叠缩式进行依次溃缩，但这种方法的缺点在于碰撞吸能盒制作周期较长，工艺难度较高，加工成本较高，从而影响了碰撞吸能盒的实际需求性。

综上所述，目前需要提出一种可设计性较强，加工成本较为合理，同时具有良好耐撞性的薄壁管件，以更好满足其作为碰撞吸能盒的实际需求。

技术实现要素：

为更好切合实际需求，提高碰撞吸能盒的可设计性，本发明提供一种可设计性强、具有高比吸能率，且基于剪纸图案设计的碰撞吸能盒装置，为实际需求提供更好的选择。

本发明解决技术问题的方案是：

一种基于剪纸图案设计的碰撞吸能盒，由沿轴向分布的一个或多个碰撞吸能盒模块构成，单个碰撞吸能盒模块的结构如下：具有不同的多边形截面薄壁管件；通过剪纸技术在每个角部区域去除材料，进行剪纸图案的加工制作，从而依据不同的剪纸图案形成具有不同角度的折痕纹路，使所述的碰撞吸能盒在碰撞过程中发生能量吸收性能好的延展变形模式。

所述的碰撞吸能盒的截面是依据剪纸图案的分布形式改变多边形截面薄壁管件的截面形状，例如：四边形截面、六边形等多边形截面。

所述的碰撞吸能盒的整体形状沿轴向是等截面直的或变截面倾斜的。

所述的碰撞吸能盒沿轴向单个模块采用相同的剪纸图案或不同的剪纸图案；在单个模块中每个角部的剪纸图案相同或不同。

所述的剪纸图案包括对角部区域剪纸图案的形状进行修改，例如，三角形、梯形等剪纸图案。

所述的剪纸图案包括对角部区域剪纸图案的尺寸进行修改；所述的碰撞吸能盒模块的高度相等或不相等。

所述的碰撞吸能盒由多种材料板材经过线切割去除多余材料后焊接成型，或增材制造一体成型。

所述的碰撞吸能盒的两端可通过焊接或其他端部形式与汽车及其他交通工具部件连接。

本发明将剪纸图案引入至薄壁碰撞吸能盒结构设计中，可依据不同实际需求进行剪纸图案设计，使碰撞吸能盒发生更为合理的预设变形模式，从而降低峰值载荷，提高吸能能力，这也是本发明的核心内容。本发明对比截面为矩形或多边形的普通薄壁管件的显著区别是在多边形的每个角部区域按照特定的剪纸图案进行加工设计，这使得整个结构从外型上是由多个梯形构成。由于引入剪纸图案，制作形成的薄壁管件具有一定角度的折痕，能够使管件预设截面在碰撞过程中发生较大的面内拉伸变形，得到吸能效率较高的延展变形模式，从而提高整个结构的耐撞性，即提高吸能比率。另一方面，由于剪纸图案的可设计性较强，故在不同实际需求下进行不同剪纸图案设计，可有效适应各种载荷工况使管件发生预设变形模式，提高比吸能率。需要指出的是剪纸图案包括对其剪纸位置、形状进行修改，本发明沿轴向采用相同的剪纸图案设计或不同的剪纸图案设计。

另外，碰撞吸能盒的整体形状沿轴向是等截面直的或变截面倾斜的。变截面碰撞吸能盒设计是指碰撞吸能盒从侧面看是部分为矩形、部分为梯形，或全部为梯形，这样的设计要求临近的碰撞吸能盒模块之间具有成比例放大或缩小的关系。

在加工工艺上，本发明的碰撞吸能盒可以使用整体铸造工艺加工，在工业生产中这种方法成本低廉，且铸造模具可多次使用，但基于剪纸图案进行设计的碰撞吸能盒其一特点为可设计性较强，能适应不同种需求，可变加工参数较多，故需要不断的改变铸造模具极大增加了制造难度。

基于可设计性较强的特点，本发明第二种制作方法为将一个或多个通过数控线切割等工艺引入不同剪纸图案后加工成为沿轴向的单个模块，其中每个模块相邻自由边可由焊接等其他工艺进行相互连接。本发明推荐激光焊接方法，可达到精确对接及牢固等需求，使结构吸能时发生预设的变形模式，以满足碰撞吸能的要求。

第三种是采用较为先进的增材制造技术，进行金属粉末铺层，但目前此技术并未完全成熟，故消耗成本较高，时间花费较长。

本发明的有益效果：通过引入剪纸图案去除多余材料，实现了碰撞吸能盒功能的同时满足低峰值力、高平均力的需求；发明的剪纸图案便于切割加工，整个结构可通过一块薄平板切割后成型，加工工艺较为简单，极大降低了加工成本，且加工的精确性也可提高。本发明的碰撞吸能盒可以在碰撞过程中在发生能量吸收性能较好的延展变形模式而非类似于折纸工艺中折痕预设产生的钻石变形模式或其他变形模式。

附图说明

图1(a)为本发明一种方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒的平面展开图；

图1(b)为本发明一种方形截面剪纸图案碰撞吸能盒成型后的示意图；

图2为本发明变截面的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒与传统方形碰撞吸能盒载荷位移曲线对比示意图；

图3(a)为本发明一种变截面的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的平面展开图；

图3(b)为本发明一种变截面的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒成型后的示意图；

图4(a)为本发明一种带有等截面端框的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的平面展开图；

图4(b)为本发明一种带有等截面端框的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒成型后的示意图；

图5(a)为本发明一种六边形截面剪纸图案碰撞吸能盒的平面展开图；

图5(b)为本发明一种六边形截面剪纸图案碰撞吸能盒成型后的示意图；

图中：1方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒；2方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒的方形截面；3引入剪纸图案后边界；4方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒的单个模块；5剪纸图案形状，即去除材料形状；6折痕，去除材料后进行自由边对接；7变截面的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒；8变截面的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的单个模块；9带有等截面端框的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒；10带有等截面端框的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的单个模块；11六边形截面剪纸图案碰撞吸能盒；12六边形截面剪纸图案碰撞吸能盒的单个模块。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

对于本发明中所有的附图，相同或相对应的元件一般采用相同的数字标记表示。需要指出的是，所有的图只是对该发明解释说明性的表示，而本发明不局限于这些表示。此外，图中各部分并非必然按实际比例表示。在某些条件下，那些对了解本发明没有影响或者会对其他细节的理解造成影响的细节部分可能会被忽略。

实施例1：如图1(a)和图1(b)所示的方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒的一种实施方式。

所谓方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒是指方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒的方形截面2为方形。用第二种加工工艺，该碰撞吸能盒由两个相同的模块拼装而成，图1(a)为方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒的平面展开示意图，图1(b)为方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒的成型图，用来具体描述方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒1的形状设计。在本发明中，碰撞吸能盒采用的是模块化的设计理念，其中方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒的单个模块4指的是能够组成此碰撞吸能盒的最小模块。不同长度的碰撞吸能盒可通过沿轴向叠加若干个单个模块得到。图1(a)描述了此吸能盒展开后的形状，单个模块沿轴向的长度不必相同，图1(a)即为板材加工图，其中虚线代表将要切割的部分，即剪纸图案形状5，实线代表向外凸起的折痕6，用于进行引入剪纸图案后自由边的对接。由于此剪纸图案的数目为4个，所以成型后可发现单个模块中含有4个角部连接区域。每个模块成型后在经过连接即可形成如图1(b)所示的方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒的成型图。

图2为变截面的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒与传统方形碰撞吸能盒载荷位移曲线对比示意图，可以发现，剪纸图案碰撞吸能盒可以有效地降低初始峰值力，且平均力有很大的提升。

实施例2：图3(a)和图3(b)为变截面的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的一种实施方式。

变截面意味着沿着轴向在不同的单元相同的位置的截面是变化的，相对于实施例1中所述的方形截面的剪纸图案碰撞吸能盒，这种变截面的吸能盒只需要改变图1(a)中的剪纸图案即可。调整后的剪纸图案见图3(a)，变截面的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒7和变截面的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的单个模块8如图所示，除了方形截面以外，其它截面剪纸图案碰撞吸能盒也可以由修改的剪纸图案的数目形状而得到，这里不一一举例。

实施例3：图4(a)和图4(b)为带有等截面端框的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的一种实施方式。

所谓带有等截面端框的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒是指吸能盒的截面为方形。并且从外观看是由普通方形截面管和剪纸图案管拼接而成。但通过图4(a)可看出，剪纸图案的设计不局限于单一几何图形，可通过引入组合图案来进行构型设计。同样，沿轴向的带有等截面端框的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的单个模块10的长度也可以不同，带有等截面端框的方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的单个模块10中引入剪纸图案后边界3也可以不一样。

实施例4：图5(a)和图5(a)为六边形截面剪纸图案碰撞吸能盒的一种实施方式。

所谓六边形截面剪纸图案碰撞吸能盒11是指吸能盒的截面为六边形。由于剪纸图案形状类似，所以六边形截面和方形截面剪纸图案碰撞吸能盒的加工工艺是相似的，通过调整剪纸图案的数目进行截面的变换。同样，沿轴向的六边形截面剪纸图案碰撞吸能盒的单个模块12的长度也可以不同，模块10中引入剪纸图案后边界3也可以不一样。