一种负泊松比的梯度结构吸能盒

本发明属于汽车被动安全防护设备，具体涉及到一种负泊松比的梯度结构吸能盒。

背景技术：

1、吸能盒主要作用是在碰撞时起到缓冲的作用，通常安装在汽车防撞梁与车架纵梁之间，作为一种低速安全保护装置而存在。

2、当物体发生强烈碰撞时，会出现完全变形、翘曲变形和褶皱变形三种方式。而吸能盒作为一种金属薄壁构件，在碰撞时容易发生褶皱变形，这正好满足了车辆在低速碰撞时有效吸收碰撞能量，并尽可能减小撞击力对车身纵梁损害的目的。吸能盒既提高了汽车的被动安全性，又降低了撞击带来的维修成本。

3、负泊松比超材料结构具有特殊的力学性能，具有显著的拉胀效应（结构在轴向拉力作用下发生横向膨胀）与压阻效应（结构在轴向压力作用下发生横向收缩），在抗压缩、抗剪切与抗冲击方面具有明显优势。相比传统吸能盒的溃缩设计，负泊松比超材料结构在减振与吸能领域具有广泛的应用前景。

4、现有的负泊松比吸能盒结构多为内凹六边形或内凹四边形，在尖角连接处存在明显的应力集中现象，降低了初始峰值力的大小，影响总吸能能力；此外，汽车碰撞过程中，应力及变形具有明显的随机性和不均匀性，周期性与均质化的吸能盒结构设计在一定程度上导致了材料浪费，影响了汽车碰撞过程中的总吸能和吸能效率。因此，有必要在最大限度提高汽车碰撞的总吸能，以及提升被动安全性能的前提下，发明一种新型吸能盒来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种负泊松比的梯度结构吸能盒，该方案有着吸能效果好、安装性能高、制造方便的优点。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种负泊松比的梯度结构吸能盒，包括前安装板、后安装板，所述前安装板和后安装板间设置有环形外板，所述环形外板中设置有负泊松比芯体，所述负泊松比芯体包含若干横芯板和纵芯板，所述横芯板和纵芯板相互垂直，所述横芯板和纵芯板均垂直于前安装板，所述横芯板和纵芯板上分别开设有若干花生孔，相邻的花生孔相互垂直，所述横芯板和纵芯板连接处的花生孔位置对应，所述负泊松比芯体的孔隙率由前到后依次减小。

3、上述方案中，通过前安装板和后安装板来连接防撞梁和结构主体部分，通过前安装板、后安装板和环形外板形成盒体结构对负泊松比芯体进行容纳限位，负泊松比芯体的横芯板和纵芯板相互垂直，来保证对前、后安装板的支撑连接效果，在横、纵芯板上开设若干花生孔、使横芯板、纵芯板上相邻花生孔相互垂直，并使横、纵芯板在花生孔处对接的设计具有显著的负泊松比效应，提高吸能盒的防撞、吸能能力，负泊松比芯体的孔隙率由前向后依次减少，有利于在冲击时，使前侧优先变形，吸收大部分能量，后部孔隙率较小，结构强度相对较高，减少对结构主体部分的冲击影响。

4、进一步的，所述负泊松比芯体由前到后分为吸能层、缓冲层和保护层，所述吸能层的孔隙率在70%-80%，所述缓冲层的孔隙率在60%-70%，保护层的孔隙率在40%-50%。

5、通过分层调节负泊松比芯体的孔隙率来提高吸能抗冲击效果，吸能层孔隙率较高，在冲击载荷作用下，优先发生变形，作为吸收能量与转移能量的主要载体，最大限度的吸收能量；缓冲层的孔隙率低于吸能层，进一步吸收冲击能量，同时在吸收能量与提升结构强度之间起到过渡作用；保护层的孔隙率最低，强度最高；负泊松比的结构设计保证了在冲击载荷作用下，材料横向产生聚集效应，提高了结构的刚度，抵抗轴向压缩变形，为结构主体的安全性提供保障。

6、进一步的，所述负泊松比芯体的单胞结构包含三维单元外壳和十字单元内芯，所述十字单元内芯设于三维单元外壳的中部，所述三维单元外壳包含沿矩形设置的四块侧板，所述十字单元内芯与四块侧板的中部连接。

7、单胞结构中十字单元内芯与三维单元外壳的四块侧板中部连接，结构稳定。

8、进一步的，所述侧板的中心开设有花生孔，所述侧板的四周开设有花生半孔，所述十字单元内芯包含垂直设置的两块单元板，所述单元板的中心开设有花生孔，所述单元板的四周开设有花生半孔，所述花生半孔用于与相邻单胞结构的花生半孔对接形成花生孔。

9、通过中心设置花生孔，四周设置花生半孔来与相邻单胞结构对接，结构简单，四周花生半孔的方向垂直于中心的花生孔。

10、进一步的，所述横、纵芯板上沿宽度方向阵列开设花生孔，所述花生孔的尺寸由前到后依次减小。

11、通过沿宽度等距设置花生孔，调节花生孔的尺寸来实现对负泊松比芯体各部位孔隙率的要求，制造方便。

12、进一步的，所述横、纵芯板上沿矩形阵列开设花生孔，所述横芯板和纵芯板的厚度由前到后依次增加。

13、阵列开设花生孔结构简单，通过厚度变化来实现孔隙率的变化。

14、进一步的，所述花生孔的平面轨迹为卡西尼卵形线，卡西尼卵形线的曲线公式为，其中卡西尼卵形线上动点p坐标为（x，y），a、b为常数，且b/a＞1。

15、通过卡西尼卵形线方程设置花生孔，使结构有着良好的负泊松比效应，同时有效避免了尖角结构处的应力集中，保证结构具有更高的峰值应力，吸收更多的冲击能量，进而提升吸能盒的总吸能。

16、进一步的，所述吸能层或缓冲层或保护层包含拼接部件一、拼接部件二和半拼接件三、半拼接件四，所述拼接部件一、拼接部件二和半拼接件三、半拼接件四均为条形结构，所述条形结构上开设有若干花生孔和花生半孔，所述拼接部件一、拼接部件二在长度方向相差半个胞元，所述半拼接件三、半拼接件四在长度方向相差半个胞元，所述拼接部件一、拼接部件二平行设置，所述拼接部件一、拼接部件二的上下两侧均沿长度方向交替连接有半拼接件三、半拼接件四。

17、通过在平行设置的拼接部件一、拼接部件二的上下两侧交替连接半拼接件三、半拼接件四，来形成对应的吸能层或缓冲层或保护层结构，制造方便，结构稳定。

18、进一步的，所述拼接部件一、拼接部件二上分别开设有卡接槽一，所述半拼接件三、半拼接件四上分别开设有用于与卡接槽一卡合的卡接槽二。

19、拼接部件一、拼接部件二上通过开设卡接槽一来方便于半拼接件三、半拼接件四上卡接槽二的卡接定位。

20、进一步的，所述吸能层与缓冲层间，所述缓冲层与保护层间均设置有柔性垫层。

21、通过设置柔性垫层来提高负泊松比芯体的防撞吸能性能。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、1.本发明结合花生孔型三维拉胀结构和梯度结构设计了一种吸能盒，在垂直设置的横芯板和纵芯板上设置花生孔型的设计具有显著的负泊松比效应，同时有效避免了尖角连接处的应力集中，保证结构具有更高的峰值应力，吸收更多的冲击能量，进而提升吸能盒的总吸能效果；

24、2.在受到冲击载荷作用时，通过孔隙率梯度变化的穿孔结构设计可以实现稳定的变形模式与冲击变形的最大化，更高的平台应力与更长的压溃行程从整体上有效的提升了吸能盒的吸能效果，使远离结构主体的一侧先发生变形，保证了结构主体的被动安全性；

25、3.通过将负泊松比芯体分层，采用拼接部件拼接的方式实现孔隙率的梯度变化，保证横芯板、纵芯板垂直，相对于现有多边形芯体的吸能盒，结构简单，制造方便。