CN101782178B - 可改变的结构组件和改变结构组件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于中空结构的活性材料插入件。具体而言，提供了一种可改变的结构组件，其包括位于中空结构元件内的基于活性材料的插入件，所述中空结构元件和至少一个插入件协作性地配置成在所述活性材料处于第一状态时呈现第一组件特征值，在所述活性材料处于第二状态时呈现第二组件特征值，其特征在于，所述中空结构元件为车辆的框架部件，所述组件特征值是在碰撞事件中由所述中空结构元件吸收的能量大小。
Description
相关申请的交叉参考
本申请是2006年3月17日提交的名称为“容积填充机械组件及其操作方法”(“VOLUME-FILLING MECHANICALASSEMBLIES AND METHODS OF OPERATING SAME”)的美国专利申请No.11/384,042的部分继续申请并要求其优先权，该美国专利申请要求的优先权有：2005年3月29日提交的美国专利申请No.11/093,271，其要求2004年4月2日提交的美国临时专利申请No.60/559,249的权益；2005年3月29日提交的美国专利申请No.11/092,127，其要求2004年4月2日提交的美国临时专利申请No.60/559,165的权益；以及2005年3月29日提交的美国专利申请No.11/093,272，其要求2004年4月2日提交的美国临时专利申请No.60/559,115的权益；所有这些专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及适于与中空结构元件一起使用的结构插入件，更具体地涉及包括至少一种活性材料的局部或全面插入件，所述活性材料在激活或减活(activation or deactivation)时能够可逆地改变因此而构成的组件的可插入性或例如硬度、阻尼、几何构造的特性或能量吸收率。
背景技术
例如金属板、“I”形梁1(现有技术，图1a)、“L”和“C”形角铁2、3(图1b，c)、栅格、桁架的结构插入件以及泡沫材料已经被开发以提供对中空元件4的加强。为了实现它们的预期功能，这些插入件经常被压配合(当接合相对的内表面时)、拉伸或液压成型到合适位置，然后通常通过点焊或缝焊而结合到一起。一旦结合到产品(例如车辆)中，缺乏到元件内部或其周围空间的通路经常导致不能以此方式改进该产品。替代性地，插入件可在形成中空结构元件之前固定到合适位置。一旦就位，元件和插入件的组件相互协作以提供通用型结构解决方案，其中因此而构成的组件的特征-例如结构能力、挠曲弹性模量以及阻尼/能量吸收率保持不变。结果，本领域中总是存在常规插入件的问题，包括但不限于需要大量劳动和制造成本以及不能针对给定条件和/或迫近事件而改变或调节结构特征。而且，在试图改进现有产品时，放置插入件的常规方法也存在问题。
发明内容
考虑到前述问题，本发明涉及一种适用于中空结构从而构建可改变组件的活性材料插入件，以及构建可改变组件的方法。由于活性材料具有的可逆变化特性，本发明在选择性地改变组件的例如硬度、阻尼、压碎模式/能量吸收的特性中是有用的。在优选实施方式中，本发明对于促进组件的构建是有用的。本发明的其他优点包括提供组件特性的主动场控制调节。最后，应认识到，与相似的基于机械、材料、机电、液压或气动的加强系统相比，使用活性材料元件增大了能量效率，同时减小了重量和/或复杂性。
总体上，本发明涉及一种可改变的结构组件，其包括限定内部开口的中空结构元件以及在开口内固定定位的至少一个插入件。插入件至少部分地由活性材料形成，所述材料能够分别在被激活和减活时达到不同的第一和第二状态。所述元件和至少一个插入件协作性地配置成在材料处于第一状态时呈现第一组件特征值，而在材料处于第二状态时呈现第二组件特征值。
本发明的其它方面和优点-包括采用形状记忆合金、铁磁体形状记忆合金、形状记忆聚合体和/或磁流变弹性体来改变组件特征，将在下面对优选实施方式(一个或多个)的详细描述和附图中变得明显。
方案1.一种可改变的结构组件，包括：
限定内部开口的中空结构元件；以及
在所述开口内固定定位的至少一个插入件，所述插入件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料能够分别在被激活和减活时达到不同的第一和第二状态，
所述元件和至少一个插入件协作性地配置成在所述材料处于第一状态时呈现第一组件特征值，在所述材料处于第二状态时呈现第二组件特征值，
其特征在于，所述元件为车辆的框架部件，所述组件特征值是在碰撞事件中由所述元件吸收的能量大小。
方案2.根据方案1所述的组件，其特征在于，所述材料选自由下列各项组成的集合：形状记忆合金，形状记忆聚合体，磁流变弹性体，介电弹性体，离子聚合体金属合成物，压电聚合体，以及压电陶瓷。
方案3.根据方案1所述的组件，其特征在于，所述材料通过由车辆生成或施加到车辆上的热能被动地激活。
方案4.根据方案1所述的组件，其特征在于，所述开口限定第一内部尺寸，并且所述插入件在被插入且激活时限定小于第一尺寸的第二尺寸，并且在被插入且减活时用于限定等于或大于第一尺寸的第三尺寸，从而产生与所述元件的内部几何特征的机械互锁或在所述元件上施加力。
方案5.根据方案4所述的组件，其特征在于，所述第二尺寸小于第一尺寸的85％。
方案6.根据方案1所述的组件，其特征在于，所述开口限定第一内部尺寸，并且所述插入件在被插入且减活时限定小于第一尺寸的第二尺寸，并且在被插入且激活时用于限定优选大于第一尺寸的第三尺寸，从而在所述元件上施加力。
方案7.根据方案1所述的组件，其特征在于，所述元件进一步限定非线性纵轴，所述纵轴包括至少一个弯曲，并且所述插入件在被激活时处于更具延展性的状态，从而确保所述插入件在所述弯曲内轻松地弯曲，并且所述插入件在被减活时处于刚性状态，从而产生与所述组件的机械互锁并且增大所述组件的硬度。
方案8.根据方案1所述的组件，其特征在于，所述元件进一步限定非线性开口和至少一个弯曲，并且所述插入件在被减活时处于更具延展性的状态，从而确保所述插入件在所述弯曲内轻松地弯曲，并且所述插入件在被激活时处于刚性状态，从而产生与所述组件的机械互锁并且增大所述组件的硬度。
方案9.根据方案1所述的组件，其特征在于，所述插入件的构造选自由下列各项组成的集合：“I”形梁，泡沫，栅格，桁架，中空外壳以及多孔块。
方案10.根据方案1所述的组件，其特征在于，所述第一和第二组件特征值限定值的变化，所述材料由限定强度的磁场激活并达到第一状态，所述值的变化与所述强度成比例。
方案11.根据方案1所述的组件，进一步包括：
通信地联接至所述插入件的至少一个传感器，所述传感器配置成用于确定事件并且能够在确定了所述事件时使所述材料被激活。
方案12.根据方案11所述的组件，进一步包括：
通信地联接至所述至少一个传感器和插入件的控制器，所述控制器配置成接收来自所述至少一个传感器的数据、将所述数据与预定阀值进行比较、并且仅当所述阀值被超过时使所述材料被激活。
方案13.一种改变结构组件的方法，所述结构组件包括中空结构元件，所述中空结构元件限定开口，所述方法包括以下步骤：
a.固定所述元件，从而选择性地应用状况或事件；
b.将至少一个插入件固定在所述开口内，其中，所述插入件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料能够分别在被激活和减活时选择性地达到不同的第一和第二状态；以及
c.当参与所述状况或事件时，激活所述材料，从而达到所述第一和第二状态中的一个，并且通过激活所述材料而改变所述组件，
其特征在于，所述元件为车辆的框架部件，所述事件为碰撞。
方案14.根据方案13所述的方法，其特征在于，所述材料由激活信号激活，所述激活信号选自由下列各项组成的集合：热力加热，焦耳加热，应力激活，施加磁场，和化学激活。
方案15.根据方案13所述的方法，其特征在于，所述材料由磁场激活从而达到所述第一和第二状态中的一个，并且通过使所述磁场逆向而达到所述第一和第二状态中的另一个。
方案16.根据方案13所述的方法，其特征在于，步骤a)和c)进一步包括以下步骤：选择性地应用声波和/或结构振动，并通过激活所述材料而改变所述组件的阻尼率。
方案17.根据方案13所述的方法，其特征在于，所述组件包括在制造工艺中制成的车辆，所述工艺具有油漆固化部件，并且所述材料由油漆固化部件激活并达到所述第一和第二状态中的一个。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明的优选实施方式(一个或多个)，附图中：
图1a是本领域已知的现有技术中空结构和“I”形梁角铁加强插入件的截面图；
图1b是本领域已知的现有技术中空结构和“L”形角铁加强插入件的截面图；
图1c是本领域已知的现有技术中空结构和“C”形角铁加强插入件的截面图；
图2是根据本发明优选实施方式的可改变组件的立体图，所述组件包括中空结构元件和多个插入件，其都包含在车辆中；
图3是根据本发明优选实施方式的中空结构和具有活性材料横杆的“I”形梁插入件的截面图；
图4是根据本发明优选实施方式的非线性结构元件的立体图，所述元件限定弯曲部并且具有基于活性材料的插入件；以及
图5是根据本发明优选实施方式的中空结构、多孔插入件以及活化磁场的截面图。
具体实施方式
本发明涉及适于与中空结构12一起使用从而形成组件的基于活性材料的插入件10。更具体地，插入件10的至少一部分由活性材料10a制成，将在下面进一步描述的活性材料10a的可逆变化性有助于制造过程或实现组件的至少一个特征的变化。在本文讨论的图示和优选的实施方式中，基于活性材料的局部插入件10被采用和使用在车辆环境中；例如图2所示，多个加强插入件10可以被车辆16的预先存在的侧轨12采用。在此构造中，优选的插入件10在激活或减活状态下呈现减小的截面面积(取决于所选的活性材料)，从而有助于在轨道或其他结构元件内的插入和放置。一旦被恰当定位，每个插入件10被激活(或减活)从而膨胀并对元件施加保持力，由此将其锁定在合适位置。这样，本发明提供了改进现有车辆或结构的中空元件的改进方法。锁定在合适位置还可通过插入件在膨胀时与中空截面的任意/所有不规则几何形状相匹配而完全或部分实现。
在本发明的范围内可将插入件10的益处和优点用于其他应用场合，例如提高地震带中的商业大厦建筑物、基础设施的安全性以及改善其性能，或提高定做家具和设备的安全性或舒适性。
I.活性材料讨论和功能
本文所使用的术语“活性材料”应为本领域技术人员所理解的普通意思，并且包括当暴露于外部信号源时在基本(例如化学或固有物理)性质方面呈现可逆变化的任意材料或复合物。因此，活性材料应包括能够响应于激活信号而在硬度性质、形状和/或尺寸方面发生变化的那些成分，针对不同的活性材料激活信号可采用电、磁、热和类似领域的类型。
用于本发明的合适的活性材料包括但不限于形状记忆材料-例如合金、聚合体和陶瓷、铁磁体形状记忆合金以及磁流变及电流变弹性体。形状记忆材料通常指的是具有记住它们初始的至少一个属性-例如形状的能力的材料或合成物，该初始形状随后能够通过施加外部激励而复原。这样，从初始形状的变形是暂时的情况。以此方式，形状记忆材料能够响应于激活信号而变成所要求的形状。示例性形状记忆材料包括前述形状记忆合金(SMA)和形状记忆聚合体(SMP)以及形状记忆陶瓷、电活性聚合物(EAP)、铁磁体SMA、电流变(ER)合成物、磁流变(MR)合成物、介电弹性体、离子聚合体金属合成物(IPMC)、压电聚合体、压电陶瓷、上述材料的各种组合物等。
形状记忆合金(SMA)指的是一类金属材料，当受到合适的热激励时，这些材料能够返回到某种预先限定的形状或者尺寸。形状记忆合金能够发生相变，在相变过程中其屈服强度、硬度、尺寸和/或形状作为温度的函数而改变。术语“屈服强度”是指材料的应力和应变比例出现特定偏差时的应力。通常，在低温或者马氏体相时，形状记忆合金可塑性变形，但是当暴露于某一较高温度时其会转变为奥氏体相或者母相，从而返回到其变形前的形状。仅当加热时显现这种形状记忆效应的材料被称为单向形状记忆材料。当再冷却时还显现形状记忆效应的那些材料被称为具有双向形状记忆行为。
形状记忆合金存在于若干不同的随温度而变的相中。最常使用的这些相是上述所谓的马氏体和奥氏体相。在下面的讨论中，马氏体相泛指更容易变形的、更低温度的相，而奥氏体相泛指更具刚性的、更高温度的相。当形状记忆合金处于马氏体相并被加热时，其开始转变为奥氏体相。这种现象开始时的温度常被称为奥氏体起点温度(As)。这种现象完成时的温度被称作奥氏体终点温度(Af)。
当形状记忆合金处于奥氏体相并被冷却时，其开始转变为马氏体相，并且这些现象开始时的温度被称为马氏体起点温度(Ms)。奥氏体完成转变至马氏体时的温度被称作马氏体终点温度(Mf)。通常，形状记忆合金在其马氏体相时是较软的并且更容易变形，而在奥氏体相时是更硬的、更坚硬的和/或更刚性的。鉴于以上所述，用于形状记忆合金的合适的激活信号是热激活信号，该激活信号的大小能够引起马氏体和奥氏体相之间的转变。
形状记忆合金可呈现单向形状记忆效应、固有的双向效应、或非固有的双向形状记忆效应，这取决于合金成分和加工过程。退火的形状记忆合金通常仅仅呈现单向形状记忆效应。形状记忆材料低温变形之后的充足加热将导致马氏体至奥氏体类型的转变，并且该材料将恢复初始的、退火的形状。因此，单向形状记忆效应仅仅当加热时被观察到。包括呈现单向记忆效应的形状记忆合金组合物的活性材料不会自动地复原，并且可能会需要外部机械力以复原成先前适于气流控制的形状。
固有的和非固有的双向形状记忆材料特征为当两者从马氏体相加热到奥氏体相时形状转变，以及当从奥氏体相冷却回到马氏体相时另外的形状转变。呈现固有的形状记忆效应的活性材料是由形状记忆合金组合物制造的，由于上述相变，所述形状记忆合金组合物将使活性材料本身自动复原。固有的双向形状记忆行为必须通过加工在形状记忆材料中产生。这种过程包括在马氏体相中在强制作用或负荷下加热-冷却时的极端变形，或表面改性-如激光退火、抛光或喷丸处理。一旦材料已被训练而呈现双向形状记忆效应时，低温和高温状态之间的形状变化通常是可逆的并且持续经过高次数的热循环。相反，呈现非固有的双向形状记忆效应的活性材料是将呈现单向效应的形状记忆合金组合物与提供回复力以复原初始形状的另一种元素结合的复合物或多成分材料。
在被加热时形状记忆合金能够记住其高温形态时的温度可通过合金成分的轻微改变以及通过热处理来调节。例如，在镍-钛形状记忆合金中，它可从高于约100℃至低于约-100℃变化。形状复原过程出现在只有几度的范围内，并且可以将转变的起始和完成控制到一度或两度，这取决于期望的应用和合金成分。形状记忆合金的机械性能在跨越其转变的温度范围内改变很大，通常为系统提供形状记忆效应、超弹性效应和强阻尼容量。
合适的形状记忆合金材料包括但不限于：镍-钛基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、镍-镓基合金、铜基合金(例如，铜-锌合金、铜-铝合金、铜-金和铜-锡合金)、金-镉基合金、银-镉基合金、铟-镉基合金、锰-铜基合金、铁-铂基合金、铁-铂基合金、铁-钯基合金等。合金可是二元的、三元的、或者任何更高级的，只要合金成分呈现形状记忆效应，例如形状取向、阻尼容量等的变化。
因此，为了本发明的目的，应认识到当加热超过其马氏体到奥氏体相变温度时，SMA呈现了2.5倍的模量增加和达到8％的尺寸变化(这取决于预应变的量)。应认识到热诱发SMA相变是单向的，使得一旦施加的场除去，将需要偏压力回复机构(例如弹簧)来使SMA返回到其起始构造。焦耳加热能够用于使整个系统可电子控制。然而，SMA中的应力诱发相变本质上是双向的。当SMA处于其奥氏体相时应用足够的应力将导致其变为其低模量的马氏体相，其中SMA能够呈现达到8％的“超弹性”变形。施加的应力的除去将导致SMA变回到其奥氏体相，这时恢复其起始形状和更高的模量。
也可用于本发明的铁磁体SMA(FSMA)是SMA的子类。这些材料的行为与常规SMA材料相似，在马氏体和奥氏体之间具有应力或热诱发相变。此外，FSMA具有铁磁性并且具有强的磁晶各向异性，这使得外部磁场可以影响场排列的马氏体变体的取向/份数。在去除了磁场时，该材料可呈现完全双向、部分双向或单向的形状记忆。对于部分或单向形状记忆，外部激励、温度、磁场或应力可使该材料恢复到其初始状态。完美的双向形状记忆可用于使用所施加的连续功率成比例控制。单向形状记忆最适用于轨道填充应用。在汽车应用中，外磁场通常是通过软磁芯电磁体产生的，尽管也可以使用一对Helmholtz线圈用于快速响应。
形状记忆聚合物(SMP)泛指一类聚合物的材料，当受到合适的热激励时，其呈现出能够返回到某种预先限定的形状。形状记忆聚合物能够经受相变，其中其形状作为温度的函数而改变。通常，SMP具有两个主要部段，硬部段和软部段。预先限定的或者永久性形状可以通过熔融或者在高于最高热转化的温度下加工该聚合物然后冷却到低于该热转化温度而固化。最高热转化通常是该硬部段的玻璃态转化温度(Tg)或熔点。暂时性形状可以通过将该材料加热到高于软部段的Tg或转化温度、但低于该硬部段的Tg或熔点的温度而固化。当在软部段转化温度加工该材料并随后冷却固定该形状时，固化了该暂时性形状。通过将该材料加热到软部段的转化温度之上，该材料可以被复原到永久性形状。
例如，聚合物材料的永久性形状可为具有基本上变直的形状并限定第一长度的线，而暂时性形状可为限定小于第一长度的第二长度的类似线。在另一个实施方式中，该材料可呈现在激活时具有第一弹性模量并且在减活时具有第二弹性模量的弹簧。
永久性形状复原所需的温度可以被设置在约-63℃至约120℃或以上的任何温度。加工该组合物和聚合物结构本身可以使得对于期望的应用选择特定的温度。对于形状复原优选的温度是大于或等于约-30℃，更优选地大于或等于约0℃，最优选温度大于或等于约50℃。此外，对于形状复原优选的温度是小于或等于约120℃，并且最优选小于或等于约120℃并且大于或等于约80℃。
合适的形状记忆聚合体物包括热塑性材料、热固性材料、互穿网络、半互穿网络或混合网络。该聚合体可以是单个聚合体或聚合体的混合物。该聚合体可以是直链或支链的带有侧链或树枝状结构元素的热塑性弹性体。形成形状记忆聚合体合适的聚合体成分包括但不限于聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚酰胺、聚酯酰胺、聚(氨基酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚亚烷基、聚丙烯酰胺、聚(亚烷基)二醇、聚亚烷基氧、聚对苯二甲酸亚烷酯、聚原酸酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚卤乙烯、聚酯、聚交酯、聚乙醇酸交酯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚醚、聚醚酰胺、聚醚酯纤维和其共聚物。合适的聚丙烯酸酯的实例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(异丁烯酸异丁脂)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(甲基丙烯酸异癸酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸异丙酯)、聚(丙烯酸异丁酯)并且聚(丙烯酸十八烷酯)。其他适合的聚合物的实例包括聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯酚、聚乙烯吡咯烷酮、氯化聚丁烯、聚(十八烷基乙烯醚)乙烯乙酸乙烯酯、聚乙烯、聚(氧化乙烯)-聚(对苯二甲酸乙二酯)、聚乙烯/尼龙(接枝共聚物)、聚己酸内酯-聚酰胺(嵌段共聚物)、聚(己内酯)二甲基丙烯酸酯-丙烯酸正丁酯、聚(降冰片烷基-多面体寡聚倍半硅氧烷)、聚氯乙烯、氨基甲酸乙酯/丁二烯共聚物、聚氨酯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等。
因此，为了本发明的目的，应认识到当加热超过具有低玻璃态转化温度的组分的玻璃态转化温度时，SMP呈现巨大的模量下降。如果在温度下降时维持负荷/变形，变形的形状将在SMP中设定直到其重新加热，同时在没有负荷的条件下其将返回到模制形状。尽管SMP可不同地用于块，片，平板，栅格，桁架，纤维或泡沫形态，它们需要连续的功率以维持在其低模量状态。因此，它们适于插入件10的可逆形状设定。
如前所述，用于本发明的合适的活性材料还可包括磁流变(MR)或电流变(ER)成分，例如MR或ER弹性体。这些元件可进一步包括流体介质。这些材料基于磁场的应用或电压降而快速地改变其流变性质。例如，MR弹性体(MRE)是亚微米尺寸的可磁性极化的铁粒子在热固性弹性聚合体或橡胶中的悬浮物。由于产生的对齐以及场中初始随机磁化矢量之间距离的缩短，外部磁场的应用使材料变硬；并且相同的机构负责“磁致伸缩”，即外部磁场方向上的长度变化(缩短)。MR弹性体当暴露于磁场几毫秒短的时间内通常发展了结构。中止MRE暴露于磁场将弹性体返回到其低模量状态的过程逆向。这样，MRE很好地适于希望在不同操作条件下连续且可控地改变插入件有效硬度的应用。
尽管如前所述，主要关于SMA，SMP，FSMA和MRE进行描述，使用其他活性材料也是在本发明的范围内，所述其他材料例如电活性聚合体(EAP)，其包括响应于电场或磁场呈现压电，热电或电致伸缩性质的聚合物材料。关于压电材料(PM)，应认识到PM可置于柔性金属条或陶瓷板上。该条可为单压电晶片或双压电晶片。优选地，条为双压电晶片，因为双压电晶片比单压电晶片通常具有更多的移动。
II.示例性系统、方法和应用
转向本发明的教导，基于活性材料的插入件10的示例性实施方式在下面讨论并在图2-5中示出。
在优选实施方式中，结构12形成限定内部高度和宽度的开口18，并且在为了插入而定向时，插入件10呈现小于开口18的全等尺寸的最大减活高度和/或宽度，从而便于插入。一旦定位，当根据所选材料激活或减活时，插入件10配置成试图达到大于开口18的全等尺寸的第二高度或宽度尺寸。更具体地，在中空结构12的第一和第二内表面12a、12b(图3)被接合并限定内截面尺寸时，插入件10配置成具有小于前述内部尺寸-更优选地小于前述内部尺寸的85％、最优选地小于前述内部尺寸的75％的第一全等长度。
形状记忆材料优选地用于这种构造。例如图3所示，“I”形梁插入件10的横杆可由形状记忆材料10a形成，使得当激活或减活时，导致在其他插入件结构10b上施加向外的力(例如，梁的互连接合板)。
插入件10可包括处于默认马氏体相的SMA材料，其被热激活以引发从马氏体到奥氏体的相变。SMA插入件10-不管是泡沫、栅格、桁架、中空外壳、多孔的、还是其他的都被配置成优选地但不是必须地在其马氏体状态下完全填充开口18。在激活的奥氏体状态下，插入件10被压缩/变形到较小尺寸，从而允许其插入开口18中。一旦插入，插入件10可被引发达到其更有延展性的马氏体状态，从而到达结构12内的难以接近的内部位置。例如，其可为纵向轨道部分中弯曲区域(图4)，在此处需要以各种方式加强、改变硬度或防止弯折。
替代性地，SMA插入件10可从初始的奥氏体状态被应力激活到马氏体状态并返回。在此构造中，奥氏体SMA插入件10被压缩直到激活到更有延展性的马氏体状态、被插入开口18内、然后随着插入件10部分或全部恢复到其奥氏体状态而被释放从而允许其膨胀。应认识到由于其显著的应力/应变磁滞循环奥氏体SMA插入件适于提供声音和振动阻尼。
如上所述，本发明的该方面有助于并提供了改进现有结构的新颖方法。而且，应认识到，现有制造工艺-例如大多数汽车制造工艺中的固化工艺的加热部件能够用于激活活性材料插入件，从而导致没有额外的功率要求。
在另一个实施方式中，利用了SMP中的热激活硬度和形状变化。在这方面，SMP插入件10-不管是泡沫、栅格、桁架、中空外壳、多孔的、还是其他的和结构12被协作地配置，使得插入件10优选地但不是必须地完全填充开口18。应认识到在更高的温度和更软的状态下，SMP插入件10达到更小的尺寸，这允许其被插入开口18中。在更有延展性的状态下，SMP插入件10也能够更好地在弯曲区域中行进(navigate)，例如图4所示。一旦插入，热激活被保持一段时间，从而导致SMP插入件10缓慢地返回到其初始尺寸，或者如果较小的话达到中空结构12的内部尺寸。热激活然后停止。还应认识到随着SMP材料冷却，其硬度大幅度增加并锁定在SMP插入件10的新形状中。为了移除插入件10，或为了降低组件的硬度，插入件10可被重新加热。热激活可被动完成，例如通过车辆16的发动机生成的热能，或作为第二个例子在烘漆房中，或通过来自车辆16的充电系统的使用者(例如驾驶员)致动的焦耳加热汲取功率。
在另一个实施方式中，FSMA的激活由磁场20的应用来实现并用于快速地(相对于热或焦耳加热)操纵插入件10的硬度和/或形状(图5)。在此构造中，单向效应通过激活产生，除非场20能够逆向，如应认识到的，停止激活场20本身不会使材料10a返回到其初始状态。类似于之前的实施方式，为了定位插入件10，场20被用于减小其尺寸；一旦定位，该场被反向从而导致插入件10恢复或试图恢复到其之前的尺寸。在另一个实施方式中，插入能够在插入件10处于更具延展性且更容易变形的初始状态时实现。一旦定位，场20然后被用于产生形状或硬度的改变。而且，应认识到插入件10在被退活时将维持其改变的状态，除非场20被反向。
在另一个实施方式中，磁流变弹性体(MRE)被用于产生硬度和形状变化。类似于FSMA，MRE是场激活的，如图5所示；然而与FSMA相反，MRE主要呈现双向效应，如应认识到的，性质(例如硬度和/或形状)的变化与所施加的场的强度成比例。因此，为了放置插入件10，场20被用于使尺寸压缩/变形；一旦定位，场20被去除，从而恢复其初始尺寸。在另一个实施方式中，插入在插入件10处于更具延展性且更容易变形的初始状态时实现，并且在放置插入件10之后场20的应用用于快速地改变其硬度。
在本发明的另一个方面，基于活性材料的插入件10能够用于选择性地改变结构12的状态-例如硬度、阻尼、以及压碎模式/能量吸收，其中所述选择性可通过人工或自动方式产生。关于后者，插入件10可通信地联接到至少一个传感器22(图2)，所述传感器配置成用于检测状况或事件的发生并通信至插入件10。更优选地，传感器22和插入件10可由控制器24互相联接，所述控制器24配置成接收来自传感器22的数据，将所述数据与预定阀值进行比较，从而预测或确定状况或事件，并且仅当阀值被超过且状况或事件被预测或确定时将激活信号发送至插入件10。例如图2所示，车辆侧轨的插入件10可仅当车辆16的碰撞避免安全系统检查或预测到即将发生碰撞时被激活。在此方面，在提供SMP插入件10的情况下，激活可选择性地用于在车辆16的框架中产生增大的能量吸收区域。因此有利的是，本发明的优选实施方式提供了组件特性的主动场控制调节。
本文公开的范围都是包括性的并且是可组合的(例如“达到约25wt％，或更具体地约5wt％至约20wt％”的范围包括端点和范围“约5wt％至约25wt％”范围内的所有中间值等)。“组合”包括掺混物、混合物、合金、反应产物等。进一步地，术语“第一”、“第二”等在此并不意味着任何顺序、数量或重要性，而是用于区别一个要素和另一个要素，本文中的术语“一”和“一个”并不是指数量限制，而是指至少一种所引用物体的存在。和数量结合使用的修饰语“约”是包括性的状态值，并具有上下文规定的含义(例如其包括与特定数量的测量相关的误差程度)。本文所用的复数后缀用于包括其修饰的术语的单数和复数形式，因此包括一个或多个该术语(例如着色剂(一种或多种)包括一种或多种着色剂)。在整个说明书中所述的“一个实施方式”、“另一个实施方式”和“实施方式”等表示与该实施方式结合描述的特定元素(例如特点、结构和/或特征)包括在本文所述的至少一个实施方式中，并且可以存在于或不存在于其他实施方式中。此外，应当理解在各个实施方式中，所描述的元素可以以任何适当的方式进行组合。
已经参照示例性实施方式对本发明进行了描述；本领域技术人员将会理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以作出各种改变，对于其中的元素可以用等价物替代。此外，在不脱离本发明的实质性范围的情况下，可以进行各种改型以便使特定情况或材料适用于本发明的教导。因此，本发明不限于作为实施本发明的预期最佳方式而公开的特定实施方式，而是包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。
Claims (9)
1.一种可改变的结构组件，包括：
限定内部开口的中空结构元件；以及
在所述开口内固定定位的至少一个插入件，所述插入件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料能够分别在被激活和减活时达到不同的第一和第二状态，
所述中空结构元件和至少一个插入件协作性地配置成在所述材料处于第一状态时呈现第一组件特征值，在所述材料处于第二状态时呈现第二组件特征值，
其特征在于，所述中空结构元件为车辆的框架部件，所述组件特征值是在碰撞事件中由所述中空结构元件吸收的能量大小。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述材料选自由下列各项组成的集合：形状记忆合金，形状记忆聚合体，磁流变弹性体，介电弹性体，离子聚合体金属合成物，压电聚合体，以及压电陶瓷。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述材料通过由车辆生成或施加到车辆上的热能被动地激活。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述插入件的构造选自由下列各项组成的集合：“I”形梁，泡沫材料，栅格，桁架，中空外壳以及多孔块。
5.根据权利要求1所述的组件，进一步包括：
通信地联接至所述插入件的至少一个传感器，所述传感器配置成用于确定碰撞事件并且能够在确定了所述碰撞事件时使所述材料被激活。
6.根据权利要求5所述的组件，进一步包括：
通信地联接至所述至少一个传感器和插入件的控制器，所述控制器配置成接收来自所述至少一个传感器的数据、将所述数据与预定阀值进行比较、并且仅当所述阀值被超过时使所述材料被激活。
7.一种改变结构组件的方法，所述结构组件包括中空结构元件，所述中空结构元件限定开口，所述方法包括以下步骤：
a.固定所述中空结构元件；
b.将至少一个插入件固定在所述开口内，其中，所述插入件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料能够分别在被激活和减活时选择性地达到不同的第一和第二状态；以及
c.当发生状况或事件时，激活所述材料，从而达到所述第一和第二状态中的一个，并且通过激活所述材料而改变所述组件，
其特征在于，所述中空结构元件为车辆的框架部件，所述状况或事件为碰撞，第一状态和第二状态呈现由所述中空结构元件吸收的不同的能量大小。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述材料由激活信号激活，所述激活信号选自由下列各项组成的集合：热力加热，焦耳加热，应力激活，施加磁场。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述材料由磁场激活从而达到所述第一和第二状态中的一个，并且通过使所述磁场逆向而达到所述第一和第二状态中的另一个。
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