一種表面納米技術(shù)局部處理的薄壁吸能管的制作方法
【專利摘要】一種表面納米技術(shù)局部處理的薄壁吸能管，屬于汽車(chē)碰撞【技術(shù)領(lǐng)域】。其特征是在薄壁吸能管結(jié)構(gòu)表面局部納米技術(shù)處理，包括局部分布的沿軸向和環(huán)向的間隔條帶狀或間隔片狀納米化區(qū)域和布局設(shè)計(jì)，還包括單個(gè)局部納米化表面形狀和納米化程度的設(shè)計(jì)。并將薄壁吸能管分成一到三個(gè)區(qū)段和過(guò)渡區(qū)段，每個(gè)區(qū)段采用不同的表面納米化布局設(shè)計(jì)。本發(fā)明的效果和益處是通過(guò)薄壁吸能管表面納米局部處理，達(dá)到誘導(dǎo)薄壁管特定的屈曲模態(tài)及發(fā)展路徑，實(shí)現(xiàn)在受沖擊下分區(qū)段吸能，并提高薄壁管的吸能效果。本發(fā)明的設(shè)計(jì)方法，使吸能管結(jié)構(gòu)和工藝簡(jiǎn)單，保持原薄壁管的外觀，并具有穩(wěn)定性和可控性優(yōu)點(diǎn)。能應(yīng)用于包括汽車(chē)吸能結(jié)構(gòu)，抗撞安全設(shè)備以及其它運(yùn)載工具吸能裝置。
【專利說(shuō)明】一種表面納米技術(shù)局部處理的薄壁吸能管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于汽車(chē)碰撞【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到一種局部表面納米技術(shù)處理的薄壁吸能管。
【背景技術(shù)】
[0002]撞擊問(wèn)題是交通運(yùn)輸及施工工程中的常見(jiàn)問(wèn)題，在事故中保障人員和關(guān)鍵部件的安全一直是非常重要的問(wèn)題。合理的能量吸收是有效的措施之一。薄壁結(jié)構(gòu)具有易吸收受沖擊時(shí)的能量，且吸收能量多和低成本的優(yōu)點(diǎn)，因此薄壁結(jié)構(gòu)是廣泛運(yùn)用的吸能裝置中主要吸能結(jié)構(gòu)。
[0003]理想的吸能管應(yīng)具有比吸能率高，載荷均勻性系數(shù)低和穩(wěn)定性條件。而比吸能率和載荷均勻系數(shù)是在數(shù)值上是此消彼長(zhǎng)的。
[0004]如發(fā)明名稱為“一種折痕式碰撞吸能盒”，專利號(hào)為“CN200910013553.X”，該專利中的吸能盒引入折痕紋路，通過(guò)折痕紋路誘導(dǎo)碰撞后的屈曲變形模式。由于這種吸能盒采用預(yù)制初始缺陷的方法，存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題且不能保持結(jié)構(gòu)外觀好的平整度。
[0005]又如發(fā)明名稱為“一種級(jí)聯(lián)式載荷緩沖吸能裝置”，專利號(hào)為“CN201210305392.3”，采用金屬圓管或方管組合成一級(jí)緩沖單元，由二到三個(gè)這樣的不同材料的緩沖單元相互交錯(cuò)放置而成，提高了緩沖行程利用率。由于緩沖單元的壘放，在沖擊下存在整體穩(wěn)定性問(wèn)題，達(dá)不到單個(gè)金屬管吸收能量較多的效果。
[0006]又如發(fā)明名稱為“一種橫隔板加強(qiáng)的薄壁能量吸收管”，專利號(hào)為“CN201210188154.9”，該專利中起加強(qiáng)作用的橫隔板在薄壁管內(nèi)部按一定間距排列。通過(guò)增加約束條件，抑制薄壁管的非緊湊變形模式，使得薄壁結(jié)構(gòu)在軸向沖擊壓縮下產(chǎn)生漸進(jìn)穩(wěn)定變形模式。由于薄壁能量吸收管增加了附加內(nèi)置結(jié)構(gòu)并與薄壁管精密連接，給加工工藝帶來(lái)難度。沒(méi)有涉及利用薄壁管材料的局部性能改變對(duì)屈曲模態(tài)的影響。
[0007]隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米技術(shù)在材料表面處理中得到了應(yīng)用。如發(fā)明名稱為“Method and device of enhancing diffusibility of metallic surfaces andapplications thereof ”專利號(hào)為“US20110252850.Al”，該專利通過(guò)一種裝置增加材料表面的擴(kuò)散性。處理過(guò)的材料，由于材料尺寸減小僅限于納米尺寸，使得材料內(nèi)原子位錯(cuò)的滑動(dòng)受到了限制，從而提高了材料硬度和強(qiáng)度等部分力學(xué)性能。表面納米技術(shù)處理的金屬板材整體的力學(xué)性能主要表現(xiàn)為:隨著孿晶間距的變小，屈服應(yīng)力逐步提高，甚至達(dá)到原材料的4倍以上，然后降低。因此，孿晶間距作為表面納米技術(shù)處理程度的一個(gè)主要指標(biāo)。表面納米技術(shù)能用于對(duì)薄板或薄殼局部處理。這種表面納米技術(shù)尚未應(yīng)用于吸能結(jié)構(gòu)和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是:改變傳統(tǒng)的預(yù)制壓痕、初始形狀和附加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)吸能結(jié)構(gòu)的思路，提出一種表面納米技術(shù)局部處理的薄壁吸能管設(shè)計(jì)方法。通過(guò)在薄壁管表面分片局部納米技術(shù)處理和改變吸能薄壁管局部力學(xué)性能，達(dá)到薄壁管在受沖擊下的變形向吸收能量多的屈曲模態(tài)發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)提高吸能效果；通過(guò)在薄壁管表面進(jìn)行針對(duì)性的分片和分區(qū)段局部表面納米化，誘導(dǎo)薄壁管不同區(qū)段的屈曲變形以及發(fā)展路徑，實(shí)現(xiàn)薄壁管在受沖擊下分區(qū)段吸能，以及根據(jù)不同的載荷沖擊和沖擊次數(shù)，達(dá)到薄壁管多次吸能效果。以下表面納米技術(shù)簡(jiǎn)稱為表面納米化或納米化。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種表面納米局部處理的薄壁吸能薄壁管，薄壁管的材料采用低碳鋼、不銹鋼、鎂合金、鋁合金、鈦合金或其它金屬材料，壁厚均勻。薄壁管的局部表面經(jīng)過(guò)了表面納米化增強(qiáng)技術(shù)處理。納米化的表面采用薄壁管的外表面，內(nèi)表面或內(nèi)外對(duì)應(yīng)的兩個(gè)表面。
[0010]所述表面納米局部處理的薄壁管截面形狀采用圓形或正方形。表面納米局部處理的薄壁管壁厚為0.3mm到3mm。正方形截面薄壁管的截面邊長(zhǎng)與管長(zhǎng)比例關(guān)系為I比3到I比6 ;圓形截面薄壁管的截面直徑與管長(zhǎng)比例關(guān)系為I比2到I比4。
[0011]所述納米技術(shù)處理的局部表面分布采用沿薄壁管軸向間隔條帶狀，環(huán)向間隔條帶狀或間隔片狀。根據(jù)需求，采用相鄰的表面納米化條帶狀和未表面納米化條帶狀相同寬度或不同寬度；采用表面納米化片狀表面積與未表面納米化表面積相等或不等。納米化的單個(gè)局部表面形狀的設(shè)計(jì)包括條帶狀，圓形或多邊形。正方形截面的薄壁管對(duì)邊采用相同的局部表面納米化形狀布局；薄壁管相鄰兩邊的表面采用相同的局部表面納米化形狀布局或不同的局部表面納米化形狀布局。
[0012]將薄壁吸能管沿管長(zhǎng)母線方向分成兩個(gè)部分或三個(gè)區(qū)段，在每一個(gè)區(qū)段采用特定的表面納米技術(shù)處理方式。正方形截面薄壁管表面納米技術(shù)處理方式包括:靠近沖擊端的上區(qū)段，條帶狀局部納米化總表面積占50%，下一區(qū)段逐步增加納米化總表面積的比例。在相鄰兩區(qū)段之間，設(shè)計(jì)過(guò)渡區(qū)段。該過(guò)渡區(qū)段分三個(gè)部分:上部和下部均為表面納米技術(shù)處理的環(huán)向條帶狀區(qū)域。中間部分采用表面納米化軸向條帶和未表面納米化條帶間隔布局，并且與相鄰區(qū)段采用反對(duì)應(yīng)局部納米化條帶狀布局。所述反對(duì)應(yīng)布局表現(xiàn)為，上區(qū)段納米化條帶的中軸線連接下區(qū)段未納米化條帶的中軸線，上區(qū)段未納米化條帶的中軸線對(duì)應(yīng)下區(qū)段納米化條帶的中軸線；圓形截面的薄壁管表面納米技術(shù)處理方式包括:每一個(gè)區(qū)段中片狀形心按周期性陣列布局。下區(qū)段納米化片狀尺寸比上區(qū)段的片狀尺寸大，并且下一區(qū)段比上區(qū)段的納米化總表面積比例大。在兩個(gè)區(qū)段結(jié)合部分，采用過(guò)渡區(qū)段。該過(guò)渡區(qū)段分三個(gè)部分:上部和下部皆為表面納米技術(shù)處理的環(huán)向條帶狀區(qū)域。中間部分采用表面納米化片狀形心按周期性陣列布局。上區(qū)段或下區(qū)段片狀形心與相鄰過(guò)渡區(qū)段片狀形心在一條母線上或兩區(qū)段片狀納米化區(qū)交替布局。所述納米化區(qū)交替布局體現(xiàn)為，上區(qū)段納米化片狀形心與過(guò)渡區(qū)段納米化片狀形心連接線中點(diǎn)在一條母線上。圓形截面的薄壁管表面納米技術(shù)處理方式還包括:薄壁管分兩個(gè)區(qū)段，上區(qū)段采用納米化片狀形心按周期性陣列布局；下區(qū)段采用環(huán)向間隔納米化條帶狀等間距或不等間距布局。
[0013]本發(fā)明的效果和益處是:這種表面納米局部處理的薄壁管通過(guò)對(duì)薄壁管局部表面特殊的處理，有效利用材料局部性能和整體布局，誘導(dǎo)薄壁管特定的屈曲模態(tài)以及發(fā)展路徑，保持薄壁管穩(wěn)定的漸進(jìn)屈曲變形模式和誘導(dǎo)薄壁管產(chǎn)生高吸能屈曲模態(tài)，滿足了比吸能率高和載荷均勻性系數(shù)低的要求。在沖擊力小時(shí)，吸能薄壁管局部吸收能量，且接受二次或三次沖擊，并多次吸能；在沖擊力大時(shí)，整體薄壁管一次性吸收能量。本發(fā)明的吸能薄壁管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，表面納米技術(shù)加工容易，經(jīng)過(guò)加工后的薄壁管保持原薄壁管的外觀。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]附圖1是環(huán)向間隔條帶狀表面納米技術(shù)局部處理的正方形截面薄壁吸能管的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0015]附圖2是環(huán)向間隔條帶狀表面納米技術(shù)局部處理的正方形截面薄壁吸能管的四邊對(duì)稱緊湊漸進(jìn)變形圖。
[0016]附圖3是軸向間隔條帶狀表面納米技術(shù)局部處理的正方形截面薄壁吸能管的結(jié)構(gòu)圖。(a)薄壁吸能管立體結(jié)構(gòu)示意圖；(b)薄壁吸能管主視示意圖；(C)薄壁吸能管側(cè)視示意圖。
[0017]附圖4是軸向間隔條帶狀表面納米技術(shù)局部處理的正方形截面薄壁吸能管的對(duì)邊對(duì)稱鄰邊交錯(cuò)緊湊疊層漸進(jìn)變形圖。
[0018]附圖5是普通正方形截面薄壁吸能管的非緊湊和非穩(wěn)定屈曲變形圖。
[0019]附圖6是正方形截面納米化薄壁管和普通薄壁管的軸向壓潰沖擊力曲線圖，其中縱坐標(biāo)為沖擊力[N]，橫坐標(biāo)為薄壁吸能管軸向壓縮變形[m]，實(shí)線表示納米化薄壁管沖擊力曲線，虛線表示普通薄壁管的沖擊力曲線。
[0020]附圖7是分區(qū)段軸向間隔條帶狀表面納米技術(shù)局部處理的正方形截面薄壁吸能管的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)分區(qū)段薄壁吸能管立體結(jié)構(gòu)示意圖；(b)分區(qū)段薄壁吸能管主視示意圖；(C)分區(qū)段薄壁吸能管側(cè)視示意圖。
[0021]附圖8是在2kg質(zhì)量塊軸向沖壓下，分區(qū)段軸向間隔條帶狀表面納米化正方形截面薄壁吸能管的局部漸進(jìn)變形圖。
[0022]附圖9是在5kg質(zhì)量塊軸向沖壓下，分區(qū)段軸向間隔條帶狀表面納米化正方形截面薄壁吸能管的局部漸進(jìn)變形圖。
[0023]附圖10是在90kg質(zhì)量塊軸向沖壓下，分區(qū)段軸向間隔條帶狀表面納米化正方形截面薄壁吸能管的整體漸進(jìn)變形圖。
[0024]附圖11是間隔等片狀表面納米技術(shù)局部處理的圓形截面薄壁吸能管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]附圖12是圓形截面薄壁吸能管在分布的矩形片狀納米化區(qū)域誘導(dǎo)下產(chǎn)生均勻的和緊湊的屈曲模態(tài)圖。
[0026]附圖13是間隔等片狀表面納米技術(shù)局部處理的圓形截面薄壁吸能管整體穩(wěn)定的變形圖。
[0027]在圖1到圖13中:I經(jīng)過(guò)表面納米技術(shù)局部處理的環(huán)向條帶狀表面；2未經(jīng)過(guò)表面納米技術(shù)局部處理的原材料表面；3經(jīng)過(guò)表面納米化軸向條帶狀表面；4薄壁吸能管上區(qū)段長(zhǎng)度；5薄壁吸能管過(guò)渡區(qū)段長(zhǎng)度；6薄壁吸能管下區(qū)段長(zhǎng)度；7壁吸能管上區(qū)段經(jīng)過(guò)表面納米化軸向條帶狀表面；8薄壁吸能管過(guò)渡區(qū)段中經(jīng)過(guò)表面納米技術(shù)局部處理的環(huán)向條帶狀表面，納米化程度與7相同或不同；9薄壁吸能管過(guò)渡區(qū)段中經(jīng)過(guò)表面納米技術(shù)局部處理的軸向條帶狀表面，納米化程度與7和8相同或不同；10薄壁吸能管下區(qū)段中經(jīng)過(guò)表面納米技術(shù)局部處理的軸向條帶狀表面，納米化程度與7，8和9相同或不同；11經(jīng)過(guò)表面納米技術(shù)局部處理的矩形片狀表面。【具體實(shí)施方式】
[0028]以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0029]表面納米技術(shù)局部處理的薄壁吸能管采用不銹鋼材料，并采用粘結(jié)方法或焊接方法成型，外表面進(jìn)行局部表面納米技術(shù)處理。
[0030]實(shí)施例1:正方形橫截面的薄壁吸能管尺寸采用:截面邊長(zhǎng)為40mm，管長(zhǎng)為160mm，壁厚為0.5mm，表面納米化指標(biāo)的孿晶間距為35nm。圖1為環(huán)向等距離間隔條帶狀表面納米技術(shù)局部處理的正方形截面薄壁吸能管。下端固定，上端受90kg的質(zhì)量塊軸向沖壓。薄壁吸能管局部表面“I”表示表面納米化區(qū)域，四個(gè)面同樣的納米化處理，每一個(gè)面采用最佳的8個(gè)這樣條帶，且位置相同，如圖1所示。環(huán)向間隔條帶狀尺寸是長(zhǎng)40mm，寬10mm。在質(zhì)量塊以6m/s的速度軸向沖壓下，薄壁吸能管產(chǎn)生四邊對(duì)稱緊湊變形，如圖2所示。該緊湊屈曲變形的特點(diǎn)是在表面納米化條帶的誘導(dǎo)下產(chǎn)生均勻和穩(wěn)定的屈曲模態(tài)，并且保持高能量吸收率。
[0031]實(shí)施例2:正方形橫截面的薄壁吸能管尺寸采用:截面邊長(zhǎng)為40mm，管長(zhǎng)為160mm，壁厚為0.4mm,表面納米化指標(biāo)的孿晶間距為35nm。圖3 Ca)為軸向間隔條帶狀表面納米技術(shù)局部處理的正方形截面薄壁吸能管。吸能管的下端固定，上端受速度為6m/s，質(zhì)量為90kg的質(zhì)量塊軸向沖擊。薄壁吸能管表面納米化區(qū)域布局如圖3 (b)和圖3 (c)所示。圖3 (b)是其正面和對(duì)面表面納米化區(qū)域布局；圖3 (c)是兩側(cè)面表面納米化區(qū)域布局。條帶狀表面納米化區(qū)域尺寸:長(zhǎng)160mm,寬4.4mm。這樣的條帶正面為5條,側(cè)面為4條,并且均勻布局，如圖3 (b)和圖3 (c)所示。薄壁吸能管產(chǎn)生對(duì)邊對(duì)稱鄰邊交錯(cuò)緊湊疊層變形，如圖4所示。該交錯(cuò)緊湊疊層屈曲變形的特點(diǎn)表現(xiàn)為:軸向壓縮時(shí)產(chǎn)生自上而下依次穩(wěn)定的漸進(jìn)屈曲變形。對(duì)于沒(méi)有表面納米化的薄壁管或稱普通薄壁管，在同樣材料、形狀與尺寸和同樣環(huán)境條件下，表現(xiàn)為非緊湊和非穩(wěn)定屈曲變形，如圖5所示。納米化薄壁管和普通薄壁管的軸向壓潰沖擊力曲線如圖6所示，其中縱坐標(biāo)為沖擊力[N]，橫坐標(biāo)為薄壁吸能管軸向壓縮變形[m]，實(shí)線表示納米化薄壁管沖擊力曲線，虛線表示普通薄壁管的沖擊力曲線。普通薄壁管的沖擊力曲線在第一個(gè)峰值后急劇下降，出現(xiàn)非穩(wěn)定的橫向失穩(wěn)，因此表現(xiàn)出之后的能量吸收率低。而納米化薄壁管的沖擊力曲線表現(xiàn)為:隨著漸進(jìn)屈曲變形，依次達(dá)到吸能峰值，因而能量吸收率高。納米化薄壁管的能量吸收[kj]與普通薄壁管的能量吸收[kj]相比和比吸能“吸收能量[kj]/質(zhì)量[kg]”均提高33.5%。納米化薄壁吸能管重要的特點(diǎn)在于:屈曲變形是穩(wěn)定的，漸進(jìn)的和交錯(cuò)緊湊疊層模式。
[0032]實(shí)施例3:正方形橫截面的薄壁吸能管尺寸采用:截面邊長(zhǎng)為40mm，管長(zhǎng)為160mm，壁厚為0.5mm。圖7 (a)是分區(qū)段軸向間隔條帶狀表面納米化的正方形截面薄壁吸能管。上區(qū)段和下區(qū)段長(zhǎng)60mm，表面納米化部分孿晶間距35nm，表面納米化條帶尺寸:長(zhǎng)40mm，寬4.4mm。這樣的條帶正面為5條如圖7 (b)所示,側(cè)面為4條,如圖7 (c)所示,并且均勻布局。過(guò)渡區(qū)段長(zhǎng)40mm，其中過(guò)渡區(qū)段兩環(huán)向條帶狀區(qū)域?qū)挾?mm，表面納米化部分孿晶間距15nm。過(guò)渡區(qū)內(nèi)，表面納米化條帶尺寸:長(zhǎng)40mm,寬4.4mm。正面這樣的條帶為4條,側(cè)面為5條，且均勻間隔布局。過(guò)渡區(qū)內(nèi)表面納米化軸向條帶的中軸線與上下區(qū)段未納米化條帶的中軸線相連且為同一軸線，如圖7 (b)和圖7 (c)所示。吸能管的下端被固定，上端受質(zhì)量塊軸向沖壓，沖擊速度為15m/s。當(dāng)質(zhì)量塊的質(zhì)量為2kg時(shí)，薄壁吸能管僅在過(guò)渡區(qū)局部產(chǎn)生對(duì)邊對(duì)稱鄰邊交錯(cuò)緊湊疊層變形屈曲模式，而保持上下區(qū)段的完整性，如圖8所示；當(dāng)質(zhì)量塊為5kg軸向沖壓薄壁吸能管時(shí)，吸能管只在過(guò)渡區(qū)和上區(qū)段局部產(chǎn)生對(duì)邊對(duì)稱鄰邊交錯(cuò)緊湊疊層變形，同時(shí)保持下區(qū)段的完整性，如圖9所示；當(dāng)沖擊質(zhì)量塊為20kg時(shí)，方管整體產(chǎn)生對(duì)邊對(duì)稱鄰邊交錯(cuò)緊湊疊層屈曲模式，如圖10所示。該薄壁吸能管的設(shè)計(jì)和吸能特點(diǎn)表現(xiàn)為:在沖擊能量較小時(shí)，薄壁管局部吸收能量并保持部分的完整性；當(dāng)沖擊能量比較大時(shí)，薄壁管整體吸收能量；同時(shí)該交錯(cuò)緊湊疊層屈曲變形是穩(wěn)定的和漸進(jìn)的模式。
[0033]實(shí)施例4:圓形橫截面的薄壁吸能管尺寸采用:直徑為140mm,管長(zhǎng)為190mm,壁厚為2mm。表面納米化指標(biāo)的孿晶間距為35nm。圖11為間隔等片狀表面納米技術(shù)局部處理的圓形截面薄壁吸能管。采用矩形片狀納米化區(qū)域，其環(huán)向長(zhǎng)14.7mm,軸向?qū)?2.7mm,表面納米化部分孿晶間距35nm。布局為環(huán)向15個(gè),軸向8個(gè),環(huán)向間距14.7mm,軸向間距12.7mm,上層和下層片狀納米化區(qū)域從上下端邊界開(kāi)始，如圖11所示。薄壁吸能管下端固定，上端受質(zhì)量塊IOOkg軸向沖壓，沖擊速度10m/s。圖12是薄壁吸能管在分布的矩形片狀納米化區(qū)域誘導(dǎo)下產(chǎn)生均勻的屈曲模態(tài)。這種模態(tài)是緊湊的，并在屈曲變形過(guò)程中保持住基本形態(tài)，如圖13所示。整個(gè)過(guò)程是穩(wěn)定的，并保持高能量吸收率。
【權(quán)利要求】
1.一種表面納米局部處理的薄壁吸能管，包括一個(gè)金屬材料薄壁管，采用納米化增強(qiáng)技術(shù)局部分片和分區(qū)段處理薄壁管的表面，其特征在于:納米技術(shù)處理的局部表面分布采用沿薄壁吸能管母線方向分成一到三個(gè)區(qū)段，在每一個(gè)區(qū)段采用沿薄壁管軸向間隔條帶狀，環(huán)向間隔條帶狀或間隔片狀的表面納米技術(shù)處理方式，在相鄰兩區(qū)段之間設(shè)計(jì)過(guò)渡區(qū)段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面納米局部處理的薄壁吸能管，其特征還在于:表面納米局部處理的薄壁管截面形狀采用圓形或正方形。
【文檔編號(hào)】B60R19/02GK103625400SQ201310514765
【公開(kāi)日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】徐新生, 李澄, 林志華, 洪衛(wèi)芳, 孫家斌, 周震寰 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)