技术领域
本发明主要涉及到汽车碰撞安全结构设计领域，特指一种多级嵌套式八边形汽车吸能缓冲装置。
背景技术：
随着汽车保有量的增加，汽车碰撞安全逐渐成为一项重要的议题。在结构设计领域内，为了保证在汽车发生碰撞时乘员的安全，一般会在汽车前端设计有缓冲吸能装置，包括汽车保险杠、汽车缓冲吸能梁等。这些缓冲吸能结构一般由单一的圆形吸能梁、方形吸能梁或者多边形吸能梁组成，这些结构的吸能梁吸能效果较差，而且在碰撞过程中容易产生较大的碰撞力峰值，给乘员造成比较严重的伤害。而且，这种单一的吸能梁结构在碰撞过程中碰撞力波动较大，吸能梁容易发生弯折等失效现象，造成汽车的碰撞能量几乎全部由汽车纵梁承受。一般为了提高汽车前端吸能的效率，会增加汽车吸能梁的壁厚以及吸能梁的长度，但是增加吸能梁的壁厚定会造成汽车质量的增加，从而使得汽车轻量化的目的得到削弱。而一般车辆的前端空间有限，可增加的汽车吸能梁长度也会受到限制。本发明设计的一种多级嵌套式八边形汽车吸能缓冲装置是可以作为独立的缓冲吸能装置安装与汽车汽车前端或者与汽车保险杠共同使用，提高汽车前端吸能效率。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有汽车吸能缓冲装置存在的问题，本发明提供一种比吸能高、碰撞碰撞力大以及碰撞力峰值低的多级嵌套式八边形汽车吸能缓冲装置。同时对本发明装置与现有的缓冲吸能装置在不同的碰撞速度下进行了吸能效果的对比，本发明装置具有较好的吸能效果。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：
发明了一种多级嵌套式八边形汽车吸能缓冲装置，其特征在于，该汽车吸能缓冲装置由多级薄壁吸能筒嵌套级联组成，可由一次成型技术拉伸或者焊接而成。它主要包括外层薄壁吸能筒（1）、内层薄壁吸能筒（2）、各层薄壁吸能筒连接板（3）以及后端安装板（4），该吸能缓冲装置的外层薄壁吸能筒（1）以及内层薄壁吸能筒（2）均为八边形结构，各层薄壁吸能筒之间由四条薄壁吸能筒连接板（3）连接，增加汽车碰撞过程中的稳定性。同时，内层薄壁吸能筒（2）比外层薄壁吸能筒（1）在轴向方向上减少一定的长度，这样可通过多层吸能筒进行分级吸能。外层薄壁吸能筒（1）前端位置设计有碰撞诱导孔（5），可降低碰撞力的初始峰值。各层薄壁吸能筒后端平齐并焊接在后端安装板（4）上，后端安装板（4）通过后端安装板连接螺栓（6）与汽车前纵梁连接。
本发明所设计的多级嵌套式八边形汽车吸能缓冲装置在碰撞发生时外侧八边形吸能筒与刚性壁障首先接触，产生一个较大的初始接触峰值。在初始峰值过后，加速度开始减少。而此时内侧吸能筒开始与刚性壁障接触，同时也会产生一个初始的接触峰值，即外侧吸能筒的波谷与内侧吸能筒的波峰进行叠加，使得渐进压缩阶段围绕着初始接触峰值进行波动，增加了碰撞过程中的平均碰撞力。同时由于峰谷的叠加使得碰撞曲线波动的幅度较小，所设计的两级嵌套式吸能梁变形更加的充分和平稳，减少了构件发生弯折失效的概率。对于两级嵌套式吸能梁不能达到要求的，可以进行三级嵌套或者更多级的嵌套，在吸能梁碰撞曲线出现较大波动处增加一级吸能梁进行峰谷叠加，从而使得吸能梁可以按照预期要求进行变形。
[0006]附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明的结构尺寸示意图；
图3是本发明的不同截面形状的吸能梁结构示意图；
图4是本发明的不同截面形状的吸能梁加速度波形曲线图；
图5是本发明的八边形与两级嵌套式吸能梁中速碰撞曲线对比曲线图；
图6是本发明的八边形与两级嵌套式吸能梁高速碰撞曲线对比曲线图；
图7是本发明的八边形与两级嵌套式吸能梁低速碰撞曲线对比曲线图；
图例说明
1、外层薄壁吸能筒2、内层薄壁吸能筒
3、各层薄壁吸能筒连接板4、后端安装板
5、碰撞诱导孔6、后端安装板连接螺栓
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
在本具体实施方式中，根据要求设计了两级嵌套式吸能缓冲装置，如图1所示，其主要用途为汽车前纵梁与汽车保险杠之间的吸能梁。该两级嵌套式吸能梁包括了外侧吸能筒（1）、内层吸能筒（2）、各层吸能筒连接板（3）以及后端安装板（4）。外侧吸能筒（1）以及内层吸能筒（2）均为八边形结构，其结构尺寸如图2所示，外侧吸能筒尺寸边长为44mm，轴向长度为400mm，内侧吸能筒的边长为27.2mm，内侧吸能筒比外侧吸能筒在轴向方向上减少了25mm，长度为375mm，外侧吸能筒（1）以及内层吸能筒（2）壁厚均为1.1mm。为验证八边形吸能梁具有结构方面的优势，对不同截面形状的汽车吸能梁进行对比分析，包括方形吸能梁、圆形吸能梁、六边形吸能梁以及八边形吸能梁，不同截面的吸能梁结构如图3所示，各吸能梁轴向长度均为400mm，壁厚为2mm，具有相同的截面面积。不同截面形状的吸能梁的吸能效果对比如表1所示，不同截面形状吸能梁的台车碰撞加速度波形曲线如图4所示，从表1中可以看出，从四边形、六边形到八边形，吸能梁的比吸能以及平均碰撞力逐渐增加，碰撞力峰值变化不大。圆形截面吸能梁也有较高的比吸能和平均碰撞力，但是碰撞力峰值较高，对乘员不具有较好的保护效果。
表1不同截面形状吸能梁吸能效果对比
在本具体实施方式中，所设计的两级嵌套式吸能梁在碰撞发生时外侧八边形吸能筒与刚性壁障首先接触，产生一个较大的初始接触峰值，由于多级式吸能梁壁厚较小，所产生的初始接触峰值并没有原八边形吸能梁峰值高。在初始峰值过后，加速度开始减少。而此时内侧吸能筒开始与刚性壁障接触，同时也会产生一个初始的接触峰值，即外侧吸能筒的波谷与内侧吸能筒的波峰进行叠加，使得渐进压缩阶段围绕着初始接触峰值进行波动，增加了碰撞过程中的平均碰撞力。同时由于峰谷的叠加使得碰撞曲线波动的幅度较小，所设计的两级嵌套式吸能梁变形更加的充分和平稳，减少了构件发生弯折失效的概率。对于两级嵌套式吸能梁不能达到要求的，可以进行三级嵌套或者更多级的嵌套，在吸能梁碰撞曲线出现较大波动处增加一级吸能梁进行峰谷叠加，从而使得吸能梁可以按照预期要求进行变形。
以下将对八边形吸能梁与本具体实施方式中所设计的两级嵌套式吸能梁在不同碰撞速度下的吸能效果进行对比，其中不同的碰撞速度分为低速碰撞、中速碰撞以及高速碰撞。
八边形吸能梁与本具体实施方式中所设计的两级嵌套式吸能梁在中速碰撞下的台车加速度波形如图5所示，八边形吸能梁在初始时刻产生了一个比较大的接触峰值，而后减小到一定值并在该值附近进行波动，最后由于能量被全部吸收而迅速降到零。本具体实施方式中所设计的两级嵌套式吸能梁，在初始碰撞时刻产生一个较大的峰值，然后曲线在峰值处进行波动，最后由于能量全部转化为塑性变形能而迅速达到零值。八边形吸能梁与本具体实施方式中所设计的两级嵌套式吸能梁的吸能效果对比如表2所示，从表中可以看出，在二者碰撞力峰值相同时，多级式吸能梁结构比八边形吸能梁结构具有明显的优势。其中最主要的比吸能SEA提高了22%，平均碰撞力提高了22.3%，在相同的质量下多级式吸能梁结构具有更好的吸能效果。而载荷比提高了23.3%，即多级式吸能梁结构具有更加稳定的吸能过程，减少了碰撞过程中薄壁件失效的概率。压缩距离减少了11.9%，可以在汽车前端有限的距离内吸收更多的能量。
[0015]表2八边形与两级嵌套式吸能梁中速碰撞下吸能效果对比
八边形吸能梁与本具体实施方式中所设计的两级嵌套式吸能梁在高速碰撞下的台车加速度波形如图6所示，从图中可以看出，多级式吸能梁在高速碰撞下吸能比较平稳，而八边形吸能梁波动较大，而且在碰撞后期已经被完全压缩，导致最后阶段产生一个比较大的波峰。表3为两者的吸能效果对比，多级吸能结构比八边形吸能结构比吸能提高了18.6%，碰撞力平均值提高了7.8%，而碰撞力峰值降低了12.1%。碰撞力平均值提高较小的原因是碰撞后期八边形吸能结构已经完全压溃，导致产生一个较大的后期波峰，从而提高了平均碰撞力，而碰撞力峰值也随之变大。但是载荷比增加了22.6%，与之前的23.3%相差不大。
表3八边形与两级嵌套式吸能梁高速碰撞下吸能效果对比
八边形吸能梁与本具体实施方式中所设计的两级嵌套式吸能梁在低速碰撞下的台车加速度波形如图7所示，从图中可以看出，多级式吸能梁在低速碰撞下同样吸能比较平稳，而八边形吸能梁波动较大。表4为两者的吸能效果对比，多级吸能结构比八边形吸能结构比吸能提高了5.5%，碰撞力平均值提高了11.5%，而碰撞力峰值降低了16.1%。但是多级式吸能梁压缩距离比八边形吸能梁增加了6.2%，主要原因是由于多级式吸能梁前端内侧吸能筒比外侧减少了25mm，在整体压缩距离较短时，该性能提高并不明显，或者会略有下降。
表4八边形与两级嵌套式吸能梁低速碰撞下吸能效果对比