一种功能梯度多胞薄壁管的制作方法

本发明属于汽车碰撞安全结构设计领域，具体涉及一种功能梯度多胞薄壁 管，尤其涉及一种通过管壁的渐进屈曲作用模式使得材料发生渐进叠缩变形的 功能梯度多胞薄壁管。

背景技术：

薄壁结构是汽车等运载工具的最重要防撞安全保护部件。在汽车碰撞过程 中，主要是薄壁结构受力溃缩吸收能量，起到降低碰撞事故对车身的破坏及保 护乘员损伤的作用。在不同的碰撞角度作用下，薄壁结构易发生变形不稳定的 现象。为了提高汽车碰撞安全性能以及提高材料利用率，减少薄壁结构的质量， 此类薄壁结构优化截面设计是关键。

传统的薄壁结构变形模式不稳定、吸能效率低等局限。由于钢的抗压性能 好，材料延展性强，所以大多数薄壁结构的材料采用高强度钢。功能梯度多胞 薄壁结构在高效吸能以及降低峰值力等方面，突出明显的优势。因此，功能梯 度多胞薄壁结构备受汽车行业的青睐。

对比文件1：CN 202641871 U公开一种横隔板加强的薄壁能量吸收管，该 薄壁能量吸收管适用于各类爆炸及冲击能量吸收结构，包括一个薄壁管，所述 薄壁管内至少设有一个横隔板，横隔板垂直于薄壁管的管壁，并与薄壁管的管 壁成固定连接。本对比文件提供的薄壁能量吸收管通过在管内设置横隔板提高 其吸收能量的效率，但是由于整个管壁厚度是均匀分布的，碰撞情况下的吸能 效果不佳。

对比文件2：CN 102700488 B公开一种缓冲吸能结构，包括中空的金属薄 壁结构，并且在中空的薄壁结构中填充轻质金属泡沫材料或金属蜂窝材料，中 空的金属薄壁结构与填充的轻质金属多孔材料通过粘结或钎焊固连在一起，形 成一个完整的缓冲吸能结构；填充的金属泡沫材料在纵向方向上的密度成梯度 变化，填充的金属蜂窝材料在纵向上的孔径尺寸或蜂窝的壁厚成梯度变化。本 对比文件公开的缓冲吸能薄壁结构虽然也是设置成梯度变化的，但是是通过将 金属泡沫材料的密度或者金属蜂窝材料的孔径尺寸或者壁厚设置成梯度变化来 实现的。该对比文件通过在薄壁结构内填充金属泡沫材料或蜂窝材料，且将蜂 窝材料的壁厚设置成梯度变化，泡沫材料或者蜂窝材料本身属于新材料，成本 较高，且泡沫材料或者蜂窝材料本身的结构也较为固定，其适用工况有限。

本发明拟提供一种生产成本低，结构多样，外层薄壁与内层结构件厚度可 根据实际需要进行壁厚和材料多样选择的功能梯度多胞薄壁管。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种功能梯度多胞薄壁管，该功能梯度多 胞薄壁管通过管壁的渐进屈曲作用模式使得材料发生渐进叠缩变形可以提高其 吸能效率，具有耐撞性高，碰撞时的稳定性强，轻量化的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

提供一种功能梯度多胞薄壁管，包括薄壁管本体，所述薄壁管本体为由至 少一块板件三组成的中空结构；

方案一：所述中空结构包括一个胞元区域，所述胞元区域包括由第一结构 件均分出的若干胞元管状结构，所述第一结构件由呈“米”字型设置的板件一 组成；

所述第一结构件由沿其纵向长度设置的均等分的n段第一结构件单元组成， n段第一结构件单元之间顺次固定连接，构成第一结构件单元的板件一的厚度由 薄壁管的碰撞首端往固定端呈函数关系递增；

所述薄壁管本体也由沿其纵向长度设置的均等分的n段管本体单元组成，n 段管本体单元之间顺次固定连接，构成管本体单元的板件三的厚度由薄壁管的 碰撞首端往固定端呈函数关系递增；

设薄壁管本体和第一结构件的长度均为L。

进一步地，

方案一中，所述中空结构为圆形或者方形。

方案二：所述中空结构为方形，所述中空结构包括由板件二构成的第二结 构件均分出的两个或两个以上的胞元区域，所述每个胞元区域均包括由第一结 构件均分出的若干胞元管状结构，所述第一结构件由呈“米”字型设置的板件 一组成；

所述第一结构件由沿其纵向长度设置的均等分的n段第一结构件单元组成， n段第一结构件单元之间顺次固定连接，构成第一结构件单元的板件一的厚度由 薄壁管的碰撞首端往固定端呈函数关系递增；

所述第二结构件也沿其纵向长度设置的均等分的n段第二结构件单元组成， n段第二结构件单元之间顺次固定连接，构成第二结构件单元的板件二的厚度由 薄壁管的碰撞首端往固定端呈函数关系递增；

所述薄壁管本体也由沿其纵向长度设置的均等分的n段管本体单元组成，n 段管本体单元之间顺次固定连接，构成管本体单元的板件三的厚度由薄壁管的 碰撞首端往固定端呈函数关系递增；

设薄壁管本体、第一结构件、第二结构件的长度均为L。

进一步地，方案二中：

第二结构件的板件二呈“一”或“|”或“十”或“井”字型设置，或者第 二结构件由两块以上呈水平平行设置的横向板件二与垂直于横向板件二设置且 将横向板均等分的至少一块竖向板件二组成。

进一步，上述两种方案中，

n段纵向对应设置的各板件一的对称中心都在同一轴线上。

进一步地，上述两种方案中，

n段纵向对应设置的各板件三的对称中心都在同一轴线上。

进一步地，方案二中，

n段纵向对应设置的各板件二的对称中心都在同一轴线上。

优选地，

上述函数关系式为：T_i＝T₁+T_a*(i-1)；

其中：T_i代表第i段板件(板件一或板件二或板件三)的厚度；1≤i≤n；T₁代 表碰撞首端的板件(板件一或板件二或板件三)厚度；T_a为板件(板件一或板 件二或板件三)的厚度的递增梯度。

优选地，

上述函数关系式为：

其中：T(x_i)代表第i段板件(板件一或板件二或板件三)的厚度；1≤i≤n； x_i是第i段板件(板件一或板件二或板件三)的纵向长度中心线距离薄壁管上端 部的长度，L是薄壁管本体的长度；T₁为碰撞首端的板件的厚度(最小厚度)； T_n为固定端的板件的厚度(最大厚度)；T₀≠T_m；a为梯度指数，a≠0。

进一步地，

所述第一结构件与薄壁管本体之间通过焊接固定连接。

进一步地，

所述第二结构件与薄壁管本体之间通过焊接固定连接。

进一步地，

第一结构件与第二结构件之间也通过焊接固定连接。

优选地，

n段纵向对应设置的各板件一之间通过激光焊接固定连接。

优选地，

n段纵向对应设置的各板件二之间通过激光焊接固定连接。

优选地，

n段纵向对应设置的各板件三之间通过激光焊接固定连接。

进一步地，

连接处采用高强度钢激光拼接，从而降低整体薄壁结构的质量，实现轻量 化。

优选地，

碰撞首端的厚度为0.35-3.0mm；

薄壁管本体(或第一结构件或第二结构件)的长度为150-300mm；

薄壁管本体中心截面边长为50-80mm。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的多胞薄壁管包括一个胞元区域或者均等分的多个胞元区域，且 胞元区域内设置米字型结构件，使得在碰撞时每一块区域具有相同的力学性能， 当受到非轴向力冲击时，这种结构通过塑性变形吸收冲击动能，降低损伤程度。

2、本发明的多胞薄壁管的板件的厚度设置成呈梯度变化，使其在较大载荷 角度范围下产生渐进式变形模式成为可能，从而进一步提高其在更高载荷角度 下抵抗弯曲变形模式的承载能力；通过厚度属性梯度的改变，薄壁结构的耐撞 性能够得到较大的提高，在结构轻量化和耐撞性等方面能得到良好的平衡，是 一种较为理想的吸能结构。

3、本发明中的板件一、板件二、板件三根据实际需要采用不同材料(例如： 高强度钢与低强度钢)设计成不同厚度，或者采用同一材料设计成不同厚度实 现梯度特性。此外，板件一、板件二、板件三之间的梯度变化函数关系可以根 据实际需要独立设置成相同函数关系梯度变化或者不同函数关系梯度变化。梯 度特性可以使工程师们根据不同典型结构的性能特点和要求定制出特定的车身 零部件。

4、本发明提供的功能梯度多胞薄壁管根据具体需求设置成不同段(层)数， 有利于能量的吸收；且不同段之间的厚度呈线性梯度递增，采用这种薄壁厚度 逐渐变大的方法，既能满足强度设计要求，也可以诱导结构渐进溃缩变形。

5、不同段纵向对应设置的板件采用非单一厚度的方式，不仅能提高薄壁管 的吸能效率，而且能节约材料，实现轻量化。

6、本发明构成结构件的所有板件(板件一或板件二或板件三)的对称中心 均在同一轴线上，能保证材料不易发生欧拉变形。

7、本发明可以避免或者延缓较大的碰撞峰值力出现，避免中下位置先变形 导致吸能不稳的现象。

8、本发明的不同段之间的厚度呈梯度函数公式变化，可以用于侧面碰撞的 薄壁结构中，提高结构载荷效率CFE，降低平均碰撞力f_mean。

9、本发明的薄壁管由多胞管状结构组成，可以适应多工况斜向角度，抗冲 击能力增强。

10、本发明与传统的缓冲吸能结构在相同质量的刚性墙以相同的碰撞速度 下的吸能效果相比，本发明具有更好的吸能效果。

11、本发明与对比文件2相比，具有如下优势：本发明的薄壁管由多种板 件组成，板件组成的结构相比蜂窝材料等新材料的固有结构更加形式多变，且 各类板件(板件一、板件二、板件三)的材料、厚度及梯度变化函数关系均可 独立设置，能适应更多工况，对不同角度的碰撞，能够有更好的效果；本发明 可采用传统钢板实现梯度变化，相比对比文件2的蜂窝材料等新材料，成本更 低，实用性更强。

本发明在生产时，可采用不同厚度的模具成型技术，按照板件的厚度由小 到大的顺序依次焊接固定组成，组装时，可以先将板件三围成中空结构，然后 采用板件二相嵌在中空结构内将中空结构分成多个胞元区域，然后将板件二组 装成米字型的第二结构件，相嵌在每个胞元区域内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例功能梯度多胞薄壁管的立体结构示意图；

图2图1中的A-A剖面示意图；

图3a是传统薄壁管的横截面示意图；

图3b是本发明实施例功能梯度多胞薄壁管的横截面示意图；

图4是本发明实施例功能梯度多胞薄壁管与传统薄壁管的能量吸收曲线对 比图；

图5本发明实施例功能梯度多胞薄壁管与传统薄壁管的碰撞力-时间曲线对 比图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1-5所示，本实施例提供一种功能梯度多胞薄壁方形管，包括薄壁管本 体，所述薄壁管本体是由四块板件三101围成的正方形的中空结构，所述中空 结构包括由呈“十”字型设置的横向板件二201和竖向板件二202组成的第二 结构件均分出的四个胞元区域，每个胞元区域包括由呈“米”字型设置的八块 板件一(301、302、303、304、305、306、307、308)组成的第一结构件均分 出的八个胞元管状结构，所述胞元管状结构的横截面为三角形。这种结构设置 使得在碰撞时每一块区域具有相同的力学性能，当受到非轴向力冲击时，这种 结构通过塑性变形吸收冲击动能，降低损伤程度。

所述第一结构件由沿其纵向长度设置的均等分的6段第一结构件单元组成， 6段第一结构件单元之间顺次固定连接，构成第一结构件单元的板件一的厚度 (板件一301-308的厚度相)；构成第一结构件单元的板件一的厚度由薄壁管的 碰撞首端往固定端呈函数关系递增；

所述第二结构件也沿其纵向长度设置的均等分的6段第二结构件单元组成， 6段第二结构件单元之间顺次固定连接，构成第二结构件单元的板件二的厚度 (板件二201、202的厚度相等)由薄壁管的碰撞首端往固定端呈函数关系递增； 本实施例中第二结构件由呈“十”字型设置的板件二201、202组成。

所述薄壁管本体也由沿其纵向长度设置的均等分的6段管本体单元组成，6 段管本体单元之间顺次固定连接，构成管本体单元的四块板件三101的厚度由 薄壁管的碰撞首端往固定端呈函数关系递增；

设薄壁管本体的长度为L_g，第一结构件、第二结构件的长度分别为L₁、L₂， L_g＝L₁＝L₂。

6段纵向对应设置的各板件一的对称中心都在同一轴线上，能保证材料不易 发生欧拉变形。即：板件一301在纵向上被均分为6段，从第1段到第6段的 厚度呈函数关系递增，且每一段的对称中心都在同一轴线上；板件一302-308 也同样是在纵向上被均分为6段，从第1段到第6段的厚度呈函数关系递增， 且每一段的对称中心都在同一轴线上。

6段纵向对应设置的各板件二的对称中心也都在同一轴线上，能保证材料不 易发生欧拉变形。即：横向板件二201在纵向上被均分为6段，从第1段到第6 段的厚度呈函数关系递增，且每一段的对称中心在同一轴线上；竖向板件二202 也同样是在纵向上被均分为6段，从第1段到第6段的厚度呈函数关系递增， 且每一段的对称中心在同一轴线上。

6段纵向对应设置的各板件三的对称中心也都在同一轴线上，能保证材料不 易发生欧拉变形。即：四块板件三101在纵向上被均分为6段，从第1段到第6 段的厚度呈函数关系递增，且每一段的对称中心在同一轴线上。

本实施例中板件一、板件二、板件三采用同一材料(例如：高强度钢与低 强度钢)设计成不同厚度实现梯度特性。且梯度变化函数关系均根据如下公式 进行设置：

T_i＝T₁+T_a*(i-1)；

其中：T_i代表第i段板件(板件一或板件二或板件三)的厚度；1≤i≤n；T₁代 表碰撞首端的板件(板件一或板件二或板件三)厚度；T_a为板件(板件一或板 件二或板件三)的厚度的递增梯度。

所述第一结构件与薄壁管本体之间通过焊接固定连接；所述第二结构件与 薄壁管本体之间通过焊接固定连接；第一结构件与第二结构件之间也通过焊接 固定连接；6段纵向对应设置的各板件一之间通过激光焊接固定连接；6段纵向 对应设置的各板件二之间通过激光焊接固定连接；6段纵向对应设置的各板件三 之间通过激光焊接固定连接；连接处采用高强度钢激光拼接，从而降低整体薄 壁结构的质量，实现轻量化。

如图2所示，板件的轴向厚度是非均匀呈递增分布的，且纵向对应的每一 板件的不同段的对称中心位于同一轴线上。从安全方面考虑，强度设置为逐层 递增的形式，厚度T1、T2、T3、T4、T5、T6之间为线性增加的关系，屈服强 度也是随之增加的，使得材料发生渐进地叠缩变形，充分吸收能量。

将本实施例提供的多胞薄壁方形管，在hypermesh软件中建立有限元模型，该结 构的长度L为300mm，由于纵向对应设置的每一板件的厚度成梯度变化，且每 一板件的不同段的对称中心位于同一轴线上。在结构的轴向设置六个厚度，形 成厚度梯度，每一块板件(板件三101、板件二201-202、板件一301-308)均有 对应的T1、T2、T3、T4、T5、T6依次增加，本实施例中为了更好地进行仿真 模拟，将板件三101、板件二201-202、板件一301-308对应的T1、T2、T3、T4、 T5、T6设置成一样，对应为0.4、0.52、0.64、0.76、0.88、1.0mm，由于各板件 的梯度变化不大，在仿真时设置B1、B2相等进行运算，具体尺寸B1＝B2＝80mm。

进一步地，为了验证本实施例提供的功能梯度薄壁多胞方形管比传统无梯 度薄壁管的耐撞性好，实现如下步骤：

步骤1：如图4所示，本实施例功能梯度薄壁多胞方形管与传统薄壁结构的 有限元仿真结果，强调地是采用同一种材料，用相同质量的刚性强以相同的速 度挤压薄壁结构，薄壁管结构的轴向压馈过程，是碰撞首端先发生变形，仿真 模拟证明：梯度变化的薄壁管结构由于厚度分布从碰撞首端往固定端呈函数关 系递增，相比传统无厚度梯度变化的薄壁管，碰撞过程中，更容易使薄壁管结 构发生渐进式折叠变形，有利于将能量充分吸收，而传统的单一厚度多胞薄壁 结构则发生整体塌陷式变形，碰撞过程能量吸收不充分。

步骤2：功能梯度薄壁多胞方形管与传统薄壁结构的压缩载荷峰值力P_max、 平均压缩载荷P_m、压缩量h、吸收内能E_int、压缩力效率CFE对比数据的如下 表所示：

由上表中数据可得到以下结论：梯度薄壁吸能结构的平均峰值力大于传统 薄壁吸能结构的平均峰值力，说明本发明的结构的碰撞的整个过程比传统的结 构耐撞性好，而本发明结构碰撞峰值力小于传统结构的碰撞峰值力，比较安全， 整个碰撞过程所吸收的内能大于传统结构所吸收的内能，本发明结构碰撞压缩 力效率远大于传统结构的压缩力效率，总之，从数据可以得出本发明结构耐撞 性优于传统结构的耐撞性。

综上，本发明的功能梯度多胞薄壁管结构与传统的缓冲吸能结构在相同质 量的刚性墙以相同的碰撞速度下的吸能效果相比，本发明具有更好的吸能效果。 本发明的薄壁管由多胞管状结构组成，可以适应多工况斜向角度，抗冲击能力 增强；采用非单一厚度的方式，不仅能提高薄壁管的吸能效率，而且能节约材 料，实现轻量化。

作为其他优选实施方式，第二结构件的板件可以是呈“一”设置的横向板 将中空结构均分成两个胞元区域，每个胞元区域由呈“米”字型设置的第一结 构件均分成8个三角形的胞元管状结构；

或者第二结构件为呈“|”设置的竖向板将中空结构均分成两个胞元区域， 每个胞元区域由呈“米”字型设置的第一结构件均分成8个三角形的胞元管状 结构；

或者第二结构件为呈“井”字型设置的两块横向板与两款竖向板构成，将 中空结构均分成9个个胞元区域，每个胞元区域由呈“米”字型设置的第一结 构件均分成8个三角形的胞元管状结构；

或者第二结构件由两块以上水平平行设置的横向板与垂直于横向板设置且 将横向板均等分的至少一块竖向板组成。

作为其他优选实施方式，可以根据实际需要将厚度递增函数关系进行改变， 如对数函数关系：

其中：T(x_i)代表第i段板件(板件一或板件二或板件三)的厚度；1≤i≤n； x_i是第i段板件(板件一或板件二或板件三)的纵向长度中心线距离薄壁管上端 部的长度，L是薄壁管本体的长度；T₁为碰撞首端的板件的厚度(最小厚度)； T_n为固定端的板件的厚度(最大厚度)；T₀≠T_m；a为梯度指数，a≠0。

也可以将板件一、板件二、板件三的厚度设置成不同的梯度函数关系。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业 的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中 描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还 会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发 明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。