CN103625400B - 一种表面纳米技术局部处理的薄壁吸能管 - Google Patents

Abstract

一种表面纳米技术局部处理的薄壁吸能管，属于汽车碰撞技术领域。其特征是在薄壁吸能管结构表面局部纳米技术处理，包括局部分布的沿轴向和环向的间隔条带状或间隔片状纳米化区域和布局设计，还包括单个局部纳米化表面形状和纳米化程度的设计。并将薄壁吸能管分成一到三个区段和过渡区段，每个区段采用不同的表面纳米化布局设计。本发明的效果和益处是通过薄壁吸能管表面纳米局部处理，达到诱导薄壁管特定的屈曲模态及发展路径，实现在受冲击下分区段吸能，并提高薄壁管的吸能效果。本发明的设计方法，使吸能管结构和工艺简单，保持原薄壁管的外观，并具有稳定性和可控性优点。能应用于包括汽车吸能结构，抗撞安全设备以及其它运载工具吸能装置。

Description

一种表面纳米技术局部处理的薄壁吸能管

技术领域

本发明属于汽车碰撞技术领域，涉及到一种局部表面纳米技术处理的薄壁吸能管。

背景技术

撞击问题是交通运输及施工工程中的常见问题，在事故中保障人员和关键部件的安全一直是非常重要的问题。合理的能量吸收是有效的措施之一。薄壁结构具有易吸收受冲击时的能量，且吸收能量多和低成本的优点，因此薄壁结构是广泛运用的吸能装置中主要吸能结构。

理想的吸能管应具有比吸能率高，载荷均匀性系数低和稳定性条件。而比吸能率和载荷均匀系数是在数值上是此消彼长的。

如发明名称为“一种折痕式碰撞吸能盒”，专利号为“CN200910013553.X”，该专利中的吸能盒引入折痕纹路，通过折痕纹路诱导碰撞后的屈曲变形模式。由于这种吸能盒采用预制初始缺陷的方法，存在结构稳定性问题且不能保持结构外观好的平整度。

又如发明名称为“一种级联式载荷缓冲吸能装置”，专利号为“CN201210305392.3”，采用金属圆管或方管组合成一级缓冲单元，由二到三个这样的不同材料的缓冲单元相互交错放置而成，提高了缓冲行程利用率。由于缓冲单元的垒放，在冲击下存在整体稳定性问题，达不到单个金属管吸收能量较多的效果。

又如发明名称为“一种横隔板加强的薄壁能量吸收管”，专利号为“CN201210188154.9”，该专利中起加强作用的横隔板在薄壁管内部按一定间距排列。通过增加约束条件，抑制薄壁管的非紧凑变形模式，使得薄壁结构在轴向冲击压缩下产生渐进稳定变形模式。由于薄壁能量吸收管增加了附加内置结构并与薄壁管精密连接，给加工工艺带来难度。没有涉及利用薄壁管材料的局部性能改变对屈曲模态的影响。

随着纳米技术的发展，纳米技术在材料表面处理中得到了应用。如发明名称为“Methodanddeviceofenhancingdiffusibilityofmetallicsurfacesandapplicationsthereof”专利号为“US20110252850.A1”,该专利通过一种装置增加材料表面的扩散性。处理过的材料，由于材料尺寸减小仅限于纳米尺寸，使得材料内原子位错的滑动受到了限制，从而提高了材料硬度和强度等部分力学性能。表面纳米技术处理的金属板材整体的力学性能主要表现为：随着孪晶间距的变小，屈服应力逐步提高，甚至达到原材料的4倍以上，然后降低。因此，孪晶间距作为表面纳米技术处理程度的一个主要指标。表面纳米技术能用于对薄板或薄壳局部处理。这种表面纳米技术尚未应用于吸能结构和装置。

发明内容

本发明的目的是：改变传统的预制压痕、初始形状和附加结构设计吸能结构的思路，提出一种表面纳米技术局部处理的薄壁吸能管设计方法。通过在薄壁管表面分片局部纳米技术处理和改变吸能薄壁管局部力学性能，达到薄壁管在受冲击下的变形向吸收能量多的屈曲模态发展，从而实现提高吸能效果；通过在薄壁管表面进行针对性的分片和分区段局部表面纳米化，诱导薄壁管不同区段的屈曲变形以及发展路径，实现薄壁管在受冲击下分区段吸能，以及根据不同的载荷冲击和冲击次数，达到薄壁管多次吸能效果。以下表面纳米技术简称为表面纳米化或纳米化。

本发明的技术方案是：一种表面纳米局部处理的薄壁吸能薄壁管，薄壁管的材料采用低碳钢、不锈钢、镁合金、铝合金、钛合金或其它金属材料，壁厚均匀。薄壁管的局部表面经过了表面纳米化增强技术处理。纳米化的表面采用薄壁管的外表面，内表面或内外对应的两个表面。

所述表面纳米局部处理的薄壁管截面形状采用圆形或正方形。表面纳米局部处理的薄壁管壁厚为0.3mm到3mm。正方形截面薄壁管的截面边长与管长比例关系为1比3到1比6；圆形截面薄壁管的截面直径与管长比例关系为1比2到1比4。

所述纳米技术处理的局部表面分布采用沿薄壁管轴向间隔条带状，环向间隔条带状或间隔片状。根据需求，采用相邻的表面纳米化条带状和未表面纳米化条带状相同宽度或不同宽度；采用表面纳米化片状表面积与未表面纳米化表面积相等或不等。纳米化的单个局部表面形状的设计包括条带状，圆形或多边形。正方形截面的薄壁管对边采用相同的局部表面纳米化形状布局；薄壁管相邻两边的表面采用相同的局部表面纳米化形状布局或不同的局部表面纳米化形状布局。

将薄壁吸能管沿管长母线方向分成两个部分或三个区段，在每一个区段采用特定的表面纳米技术处理方式。正方形截面薄壁管表面纳米技术处理方式包括：靠近冲击端的上区段，条带状局部纳米化总表面积占50%，下一区段逐步增加纳米化总表面积的比例。在相邻两区段之间，设计过渡区段。该过渡区段分三个部分：上部和下部均为表面纳米技术处理的环向条带状区域。中间部分采用表面纳米化轴向条带和未表面纳米化条带间隔布局，并且与相邻区段采用反对应局部纳米化条带状布局。所述反对应布局表现为，上区段纳米化条带的中轴线连接下区段未纳米化条带的中轴线，上区段未纳米化条带的中轴线对应下区段纳米化条带的中轴线；圆形截面的薄壁管表面纳米技术处理方式包括：每一个区段中片状形心按周期性阵列布局。下区段纳米化片状尺寸比上区段的片状尺寸大，并且下一区段比上区段的纳米化总表面积比例大。在两个区段结合部分，采用过渡区段。该过渡区段分三个部分：上部和下部皆为表面纳米技术处理的环向条带状区域。中间部分采用表面纳米化片状形心按周期性阵列布局。上区段或下区段片状形心与相邻过渡区段片状形心在一条母线上或两区段片状纳米化区交替布局。所述纳米化区交替布局体现为，上区段纳米化片状形心与过渡区段纳米化片状形心连接线中点在一条母线上。圆形截面的薄壁管表面纳米技术处理方式还包括：薄壁管分两个区段，上区段采用纳米化片状形心按周期性阵列布局；下区段采用环向间隔纳米化条带状等间距或不等间距布局。

本发明的效果和益处是：这种表面纳米局部处理的薄壁管通过对薄壁管局部表面特殊的处理，有效利用材料局部性能和整体布局，诱导薄壁管特定的屈曲模态以及发展路径，保持薄壁管稳定的渐进屈曲变形模式和诱导薄壁管产生高吸能屈曲模态，满足了比吸能率高和载荷均匀性系数低的要求。在冲击力小时，吸能薄壁管局部吸收能量，且接受二次或三次冲击，并多次吸能；在冲击力大时，整体薄壁管一次性吸收能量。本发明的吸能薄壁管结构简单，表面纳米技术加工容易，经过加工后的薄壁管保持原薄壁管的外观。

附图说明

附图1是环向间隔条带状表面纳米技术局部处理的正方形截面薄壁吸能管的立体结构图。

附图2是环向间隔条带状表面纳米技术局部处理的正方形截面薄壁吸能管的四边对称紧凑渐进变形图。

附图3是轴向间隔条带状表面纳米技术局部处理的正方形截面薄壁吸能管的结构图。（a）薄壁吸能管立体结构示意图；（b）薄壁吸能管主视示意图；（c）薄壁吸能管侧视示意图。

附图4是轴向间隔条带状表面纳米技术局部处理的正方形截面薄壁吸能管的对边对称邻边交错紧凑叠层渐进变形图。

附图5是普通正方形截面薄壁吸能管的非紧凑和非稳定屈曲变形图。

附图6是正方形截面纳米化薄壁管和普通薄壁管的轴向压溃冲击力曲线图，其中纵坐标为冲击力[N]，横坐标为薄壁吸能管轴向压缩变形[m]，实线表示纳米化薄壁管冲击力曲线，虚线表示普通薄壁管的冲击力曲线。

附图7是分区段轴向间隔条带状表面纳米技术局部处理的正方形截面薄壁吸能管的结构示意图。（a）分区段薄壁吸能管立体结构示意图；（b）分区段薄壁吸能管主视示意图；（c）分区段薄壁吸能管侧视示意图。

附图8是在2kg质量块轴向冲压下，分区段轴向间隔条带状表面纳米化正方形截面薄壁吸能管的局部渐进变形图。

附图9是在5kg质量块轴向冲压下，分区段轴向间隔条带状表面纳米化正方形截面薄壁吸能管的局部渐进变形图。

附图10是在90kg质量块轴向冲压下，分区段轴向间隔条带状表面纳米化正方形截面薄壁吸能管的整体渐进变形图。

附图11是间隔等片状表面纳米技术局部处理的圆形截面薄壁吸能管结构示意图。

附图12是圆形截面薄壁吸能管在分布的矩形片状纳米化区域诱导下产生均匀的和紧凑的屈曲模态图。

附图13是间隔等片状表面纳米技术局部处理的圆形截面薄壁吸能管整体稳定的变形图。

在图1到图13中：1经过表面纳米技术局部处理的环向条带状表面；2未经过表面纳米技术局部处理的原材料表面；3经过表面纳米化轴向条带状表面；4薄壁吸能管上区段长度；5薄壁吸能管过渡区段长度；6薄壁吸能管下区段长度；7壁吸能管上区段经过表面纳米化轴向条带状表面；8薄壁吸能管过渡区段中经过表面纳米技术局部处理的环向条带状表面，纳米化程度与7相同或不同；9薄壁吸能管过渡区段中经过表面纳米技术局部处理的轴向条带状表面，纳米化程度与7和8相同或不同；10薄壁吸能管下区段中经过表面纳米技术局部处理的轴向条带状表面，纳米化程度与7，8和9相同或不同；11经过表面纳米技术局部处理的矩形片状表面。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

表面纳米技术局部处理的薄壁吸能管采用不锈钢材料，并采用粘结方法或焊接方法成型，外表面进行局部表面纳米技术处理。

实施例1：正方形横截面的薄壁吸能管尺寸采用：截面边长为40mm，管长为160mm，壁厚为0.5mm，表面纳米化指标的孪晶间距为35nm。图1为环向等距离间隔条带状表面纳米技术局部处理的正方形截面薄壁吸能管。下端固定，上端受90kg的质量块轴向冲压。薄壁吸能管局部表面“1”表示表面纳米化区域，四个面同样的纳米化处理，每一个面采用最佳的8个这样条带，且位置相同，如图1所示。环向间隔条带状尺寸是长40mm，宽10mm。在质量块以6m/s的速度轴向冲压下，薄壁吸能管产生四边对称紧凑变形，如图2所示。该紧凑屈曲变形的特点是在表面纳米化条带的诱导下产生均匀和稳定的屈曲模态，并且保持高能量吸收率。

实施例2：正方形横截面的薄壁吸能管尺寸采用：截面边长为40mm，管长为160mm，壁厚为0.4mm，表面纳米化指标的孪晶间距为35nm。图3（a）为轴向间隔条带状表面纳米技术局部处理的正方形截面薄壁吸能管。吸能管的下端固定，上端受速度为6m/s，质量为90kg的质量块轴向冲击。薄壁吸能管表面纳米化区域布局如图3（b）和图3（c）所示。图3（b）是其正面和对面表面纳米化区域布局；图3（c）是两侧面表面纳米化区域布局。条带状表面纳米化区域尺寸：长160mm，宽4.4mm。这样的条带正面为5条，侧面为4条，并且均匀布局，如图3（b）和图3（c）所示。薄壁吸能管产生对边对称邻边交错紧凑叠层变形，如图4所示。该交错紧凑叠层屈曲变形的特点表现为：轴向压缩时产生自上而下依次稳定的渐进屈曲变形。对于没有表面纳米化的薄壁管或称普通薄壁管，在同样材料、形状与尺寸和同样环境条件下，表现为非紧凑和非稳定屈曲变形，如图5所示。纳米化薄壁管和普通薄壁管的轴向压溃冲击力曲线如图6所示，其中纵坐标为冲击力[N]，横坐标为薄壁吸能管轴向压缩变形[m]，实线表示纳米化薄壁管冲击力曲线，虚线表示普通薄壁管的冲击力曲线。普通薄壁管的冲击力曲线在第一个峰值后急剧下降，出现非稳定的横向失稳，因此表现出之后的能量吸收率低。而纳米化薄壁管的冲击力曲线表现为：随着渐进屈曲变形，依次达到吸能峰值，因而能量吸收率高。纳米化薄壁管的能量吸收[kJ]与普通薄壁管的能量吸收[kJ]相比和比吸能“吸收能量[kJ]/质量[kg]”均提高33.5%。纳米化薄壁吸能管重要的特点在于：屈曲变形是稳定的，渐进的和交错紧凑叠层模式。

实施例3：正方形横截面的薄壁吸能管尺寸采用：截面边长为40mm，管长为160mm，壁厚为0.5mm。图7（a）是分区段轴向间隔条带状表面纳米化的正方形截面薄壁吸能管。上区段和下区段长60mm，表面纳米化部分孪晶间距35nm，表面纳米化条带尺寸：长40mm，宽4.4mm。这样的条带正面为5条如图7（b）所示，侧面为4条，如图7（c）所示，并且均匀布局。过渡区段长40mm，其中过渡区段两环向条带状区域宽度2mm，表面纳米化部分孪晶间距15nm。过渡区内，表面纳米化条带尺寸：长40mm，宽4.4mm。正面这样的条带为4条，侧面为5条，且均匀间隔布局。过渡区内表面纳米化轴向条带的中轴线与上下区段未纳米化条带的中轴线相连且为同一轴线，如图7（b）和图7（c）所示。吸能管的下端被固定，上端受质量块轴向冲压，冲击速度为15m/s。当质量块的质量为2kg时，薄壁吸能管仅在过渡区局部产生对边对称邻边交错紧凑叠层变形屈曲模式，而保持上下区段的完整性，如图8所示；当质量块为5kg轴向冲压薄壁吸能管时，吸能管只在过渡区和上区段局部产生对边对称邻边交错紧凑叠层变形，同时保持下区段的完整性，如图9所示；当冲击质量块为20kg时，方管整体产生对边对称邻边交错紧凑叠层屈曲模式，如图10所示。该薄壁吸能管的设计和吸能特点表现为：在冲击能量较小时，薄壁管局部吸收能量并保持部分的完整性；当冲击能量比较大时，薄壁管整体吸收能量；同时该交错紧凑叠层屈曲变形是稳定的和渐进的模式。

实施例4：圆形横截面的薄壁吸能管尺寸采用：直径为140mm，管长为190mm，壁厚为2mm。表面纳米化指标的孪晶间距为35nm。图11为间隔等片状表面纳米技术局部处理的圆形截面薄壁吸能管。采用矩形片状纳米化区域，其环向长14.7mm，轴向宽12.7mm，表面纳米化部分孪晶间距35nm。布局为环向15个，轴向8个，环向间距14.7mm，轴向间距12.7mm，上层和下层片状纳米化区域从上下端边界开始，如图11所示。薄壁吸能管下端固定，上端受质量块100kg轴向冲压，冲击速度10m/s。图12是薄壁吸能管在分布的矩形片状纳米化区域诱导下产生均匀的屈曲模态。这种模态是紧凑的，并在屈曲变形过程中保持住基本形态，如图13所示。整个过程是稳定的，并保持高能量吸收率。

Claims (2)

1.一种表面纳米局部处理的薄壁吸能管，包括一个金属材料薄壁管，采用纳米化增强技术局部分片和分区段处理薄壁管的表面，其特征在于：纳米技术处理的局部表面分布采用沿薄壁吸能管母线方向分成一到三个区段，在每一个区段采用沿薄壁管轴向间隔条带状，环向间隔条带状或间隔片状的表面纳米技术处理方式，在相邻两区段之间设计过渡区段。

2.根据权利要求1所述的一种表面纳米局部处理的薄壁吸能管，其特征还在于：表面纳米局部处理的薄壁管截面形状采用圆形或正方形。