CN109421634B - 一种吸能盒及吸能盒的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种吸能盒及吸能盒的制造方法，所述吸能盒包括管状的本体(1)，本体(1)的表面设有纳米量级晶粒结构区域(2)和非纳米量级晶粒结构区域(3)，纳米量级晶粒结构区域(2)中晶粒的至少一维尺寸小于或等于100纳米，非纳米量级晶粒结构区域(3)中晶粒的三维尺寸均大于100纳米。所述吸能盒引入纳米量级晶粒结构以增强材料性能，来优化设计吸能盒的材料分布。设计并处理后的吸能结构不仅质量减轻，吸能效率大幅提高，并且利用材料强度差异有效的避免了初始载荷的升高，也节省了加工成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种吸能盒，还涉及一种吸能盒的制造方法。
背景技术
吸能盒是交通工具在低速正面碰撞过程中的主要吸能部件，它通过塑性变形吸收能量以减少对乘客和交通工具其他重要部件的损害。为了满足日益紧迫的节能和环保需求，交通工具车身轻量化设计是现代交通工具工业的重要命题，而其中吸能盒装置既要保证轻量化，同时又不能降低安全性能和提高制造成本，因而是设计的重中之重。根据变形过程的特点，吸能盒有两个最关键的性能评价参数，即质量比吸能(单位质量吸收的能量值)和载荷效率(变形过程的平均载荷与起始屈曲载荷之比)。针对这两个参数，传统的吸能盒优化方法往往涉及：第一，提高材料强度以提高比吸能，第二，通过增加表面几何缺陷(凹槽、切口等)来提高载荷效率。而目前吸能盒的材料主要有普通钢和铝合金两种，铝合金虽然比强度高，但其制造成本高，同时屈服强度较低，实际轻量化效果不明显。普通钢现有的增强增韧技术成本也很高，难以进行局部处理，导致后续对高强钢进行几何缺陷加工也会增加相当的困难和成本。
发明内容
为了提高吸能盒的吸能效率，本发明提供了一种吸能盒及吸能盒的制造方法，该吸能盒及吸能盒的制造方法利用表面机械研磨处理技术引入纳米量级结构以增强材料性能，来优化设计吸能盒的材料分布，从而提高吸能结构的吸能效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种吸能盒，包括管状的本体，本体的表面设有纳米量级晶粒结构区域和非纳米量级晶粒结构区域，纳米量级晶粒结构区域中晶粒的至少一维尺寸小于或等于100纳米，非纳米量级晶粒结构区域中晶粒的三维尺寸均大于100纳米。
一种吸能盒的制造方法，该吸能盒的制造方法能够制造出上述的吸能盒，该吸能盒的制造方法包括以下步骤：
步骤1、将本体装卡固定；
步骤2、采用表面机械研磨方法处理本体的表面，使本体的表面形成纳米量级晶粒结构区域。
其中，所述表面机械研磨方法，也可以称为表面机械研磨技术(SurfaceMechanical Attrition Treatment，SMAT)，所述表面机械研磨技术与中国专利CN1336321A，公开日期2002年2月20日，公开的一种《形成纳米结构的机械方法和专用机械设备》中形成纳米结构的机械方法相同，该表面机械研磨技术(SMAT)可以利用超声波在金属表面上形成纳米结构层，从而使普通金属薄壁材料在保证延伸率不变的条件下具有极高的屈服强度，因此单位质量材料的应变能得到大幅提高，用其替代普通钢和铝合金作为本发明中吸能盒的材料。
与此同时，SMAT处理可以灵活控制，进行局部处理，能够根据吸能盒固有模态设计、调整SMAT处理和非处理区域，从而使得吸能盒结构可以按照某种特定模态发生变形，达到吸能效率最优化。另外，非处理区域由于强度低，可以作为整个结构的材料缺陷(triggers)用来激活变形模态，以减少原有几何缺陷的加工成本。另外，从经济和环保角度讲，这种处理技术还具有成本低，处理环节简单，便于规模生产等特点。
由薄壁管件构成的柱状结构，因其轴向强度高，质量轻，便于加工，并且能够提供较为稳定的轴向力，具有良好的吸能特性。因此现代交通工具吸能盒大都采用这种结构，主要的截面形状有圆形、四边形、六边形等。薄壁结构吸收能量的本质是通过材料的塑性大变形将碰撞物体的动能转化为应变能，但其轴向变形是一个复杂的过程，到目前为止仍然没有理论方法能够描述完整的变形过程。根据现有理论和试验结果，薄壁结构在轴向载荷下的能量吸收能力除了与材料本身的应变能有关外，另一个主要影响因素是结构变形模式。轴向载荷下薄壁结构将发生两种类型的变形，一种是不规则的欧拉失稳变形，结构会失去原有吸能能力，这是设计时应极力避免发生的。另一种是规则的周期性褶皱变形，变形中结构将经历失稳-失稳破坏-褶皱变形这三个阶段的周期性循环过程。褶皱区域通常会发生塑性大变形，此区域正是薄壁结构的主要吸能区，其数量越多，能量吸收能力越大。
单个褶皱变形又可根据变形对称性分为对称变形模式(Symmetrical Collapse)、非对称变形模式(Asymmetrical Collapse)和外延变形模式(Extensional Collapse)三种，其中外延变形模式的轴向承载能力最强，吸能效率最高。这样，在同样载荷或者吸能要求下，就可以采用较薄的壁厚以达到减重的目的。因此外延变形模式是设计者的首选。但根据能量最小原理，这种模式是最不稳定的，材料缺陷、制造工艺、约束条件等方面的微小变化都会影响结构的外延变形，转而使结构发生其他变形模式。
如前所述，薄壁结构在轴向载荷下吸能大小与材料应变能、褶皱数量和单个褶皱的变形模式等因素有关。针对这些因素，本发明提供了利用SMAT材料处理技术进行吸能盒结构设计的方法。首先，SMAT可以大幅提高不锈钢材料的屈服强度及极限拉伸强度，同时保持较高的延伸率，从而大幅提高材料应变能。其次，SMAT的局部处理方式有助于控制褶皱的数量和变形方式。SMAT处理时间越长，材料强度提高越明显，并最终达到强度饱和。通过控制处理时间和位置可以精确控制结构内外表面的材料强度分布，其中低强度区作为材料缺陷，首先发生失稳，激活屈曲模式，由于强度较低，起始屈曲载荷也可以得到有效控制；高强度区则在后续屈曲过程中通过变形吸能。不同的强度分布形式会产生不同的屈曲模式，主要的分布形式有轴向周期性分段式、轴向周期性交替式、环向周期性分段式、金字塔式等。为了能够产生更多的稳定的外延变形模式，可以采用轴向周期性分段式的处理方式，分段数量由结构的固有模态、约束条件和加载条件决定，可通过数值计算和轴向压缩试验得到验证。分段处理引入材料强度不均匀分布可用来代替传统的几何缺陷，减少额外加工成本。
本发明的有益效果是：
第一，可以在保证延伸率不变的条件下提高吸能盒材料的屈服强度，从而提高材料单位质量的变形能；
第二，可以控制屈服强度分布，从而激活并维持结构发生稳定外延变形模式；
第三，可以在保证性能的条件下大幅减轻吸能装置的重量；
第四，有效降低吸能结构起始屈曲载荷，减少因碰撞时减速度过高而对乘客带来伤害的风险；
第五，无需额外加工成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是在实施例1中本发明所述吸能盒在加工处理前的立体结构示意图。
图2是在实施例1中本发明所述吸能盒在加工处理后的立体结构示意图。
图3是在实施例1中本发明所述吸能盒在加工处理后的侧面展开示意图。
图4是在实施例1中本发明所述吸能盒的位移与比吸收能量之间的关系。
图5是在实施例1中本发明所述吸能盒的位移与冲击力之间的关系。
图6是在实施例2中本发明所述吸能盒在加工处理后的立体结构示意图。
图7是在实施例2中本发明所述吸能盒在加工处理后的侧面展开示意图。
图8是在实施例2中本发明所述吸能盒的位移与比吸收能量之间的关系。
图9是在实施例2中本发明所述吸能盒的位移与冲击力之间的关系。
图10是在实施例3中本发明所述吸能盒的侧面展开示意图。
图11是在实施例4中本发明所述吸能盒的侧面展开示意图。
图12是在实施例5中本发明所述吸能盒的侧面展开示意图。
1、本体；2、纳米量级晶粒结构区域；3、非纳米量级晶粒结构区域；4、扇区。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种吸能盒，包括管状的本体1，本体1的表面设有纳米量级晶粒结构区域2和非纳米量级晶粒结构区域3，纳米量级晶粒结构区域2中晶粒的至少一维尺寸小于或等于100纳米，即在纳米量级晶粒结构区域2中的晶粒的长、宽、高中的至少一个尺寸小于或等于100纳米，非纳米量级晶粒结构区域3中晶粒的三维尺寸均大于100纳米。
实施例1
在本实施例中，纳米量级晶粒结构区域2在本体1的表面为轴向周期性分段式分布。如图1至图3所示，沿本体1的轴线方向，纳米量级晶粒结构区域2和非纳米量级晶粒结构区域3交替排列。纳米量级晶粒结构区域2和非纳米量级晶粒结构区域3均为沿本体1的周向设置的环形结构。
在本实施例中，本体1的断面为正多边形，如正四边形、正六边形、正八边形等。沿本体1的轴线方向，纳米量级晶粒结构区域2的长度大于非纳米量级晶粒结构区域3的长度。纳米量级晶粒结构区域2和非纳米量级晶粒结构区域3均位于本体1的外表面，本体1的材质为金属，如钢、不锈钢、铝合金或镁合金。
具体的，本体1的断面为正方形，本体1含有四个侧面，纳米量级晶粒结构区域2和非纳米量级晶粒结构区域3的分布方式为在每一侧面上的分布方式均一致。本体1的材料为304不锈钢无缝管，长度为250mm，厚度为1mm，其中有效长度为200mm，即吸能盒两端分别留有25mm的夹持区，用于连接SMAT设备及后续准静态单轴压缩试验中的夹具。
处理后的吸能盒如图2所示，带有剖面线的区域为高强度区(纳米量级晶粒结构区域2)，即SMAT处理的区域；不带有剖面线的区域为为低强度区(非纳米量级晶粒结构区域3)，即不施加SMAT处理的区域。高强度区每段的长度为32mm，低强度区每段的长度为10mm。其分布方式为环向均布，轴向从上往下按照高强度区和低强度区轮次分布。
该吸能盒的制造方法包括以下步骤：
步骤1、将本体1装卡固定。
具体的，SMAT设备的夹具分别夹持本体1的两端，防止处理过程中发生样品振动。
步骤2、采用表面机械研磨方法处理本体1的表面，使本体1的表面形成纳米量级晶粒结构区域2。
具体的，为使表面处理均匀，夹具与马达相连，使本体1在马达带动下以可控的转速转动，从而使SMAT机中喷出的小球能够均匀处理本体1的外表面(拟形成纳米量级晶粒结构区域2的部位)。在处理过程中，使用直径为3mm的304不锈钢小球，转速为1.5转/分钟，处理时间为60分钟。
为验证本发明所述方法有效性，将本发明处理后的吸能盒分别与处理前以及市售2012款丰田-雅力士(TOYOTA Yaris)车用碰撞吸能盒三者进行对比。通过材料单轴拉伸试验和数值模拟表明(见表1、图4和5)，相同冲程长度(150mm)下，处理后的吸能盒比处理前吸能提高89.4％，同时最大屈曲载荷降低11.0％，载荷效率(平均载荷与最大载荷之比)由29％提高至70％，增幅达141％；与雅力士吸能盒相比，由于本案例中吸能盒有效质量降低为0.505kg，约为雅力士吸能盒质量的48.1％，因此单位质量吸收能量(比吸能)由9.4kJ/kg提高至16.83kJ/kg，增幅达79％。
在表1中，304不锈钢吸能盒样品在SMAT处理前后及丰田-雅力士车用吸能盒性能对比(位移150mm)
表1
由此可以证明，利用SMAT处理特点对碰撞吸能盒进行分布式材料强度设计，能显著的提升其吸能能力。另一方面，利用材料强度差异有效的避免了初始载荷的升高，也节省了加工成本。
实施例2
在本实施例中，纳米量级晶粒结构区域2在本体1的表面为轴向周期性交替式分布。如图6至图7所示，沿本体1的周向，本体1的表面设有多个扇区4，如图7所示，每个扇区4的上下边界为本体1的上下两端，每个扇区4的左右边界为与本体1的轴线平行的直线(也可以称为母线)。在每个扇区4内，纳米量级晶粒结构区域2和非纳米量级晶粒结构区域3沿本体1的轴线方向交替排列，在相邻的两个扇区4中纳米量级晶粒结构区域2交错排列。
在本实施例中，本体1的断面为正多边形，如正方形，扇区4的数量与该正多边形的边数相同，本体1的侧面与扇区4一一对应匹配，如图6和图7所示。
具体的，吸能盒本体1的外表面通过SMAT设备按照轴向周期性分段方式处理。其分布方式为在每一侧面上，轴向分别按照高强度区(纳米量级晶粒结构区域2)和低强度区(非纳米量级晶粒结构区域3)轮次分布；而两个相邻的侧面之间，在环向将高强度区和低强度区错开；两个相对的侧面强度分布保持一致。
吸能盒的材料为301不锈钢无缝管，长度为250mm，其中有效长度为200mm，即样品两端分别留有25mm的夹持区，用于连接SMAT设备及后续准静态单轴压缩试验中的夹具。处理后的吸能盒如图6所示，有剖面线的区域为高强度区(纳米量级晶粒结构区域2)，即SMAT处理的区域；没有剖面线的区域为低强度区(非纳米量级晶粒结构区域3)，即不施加SMAT处理的区域。如图6所示，一个侧面最上端及最下端的高强度区为11mm，其余的高强度区长度为32mm。该侧面的低强度区每段为10mm。与该侧面相邻的侧面的高强度区每段为32mm，低强度区每段为10mm。其余两个侧面分别与其相对的侧面强度分布保持一致。
该吸能盒的制造方法包括以下步骤：
步骤1、将本体1装卡固定。
具体的，SMAT设备的夹具分别夹持本体1的两端，防止处理过程中发生样品振动。
步骤2、采用表面机械研磨方法处理本体1的表面，使本体1的表面形成纳米量级晶粒结构区域2。
为使表面处理均匀，夹具与马达相连，使吸能盒在马达带动下以可控的转速转动，从而使SMAT机中喷出的小球能够均匀处理吸能盒的外表面。在处理过程中，使用直径为3mm的304不锈钢小球，转速为1.5转/分钟，处理时间为60分钟。通过材料单轴拉伸试验和数值模拟表明(见表2、图8和图9)，相同冲程长度(150mm)下，处理后的吸能盒比处理前吸能提高122.2％，同时最大屈曲载荷仅增加2.9％，载荷效率(平均载荷与最大载荷之比)由31％提高至66％，增幅达113％；与雅力士车用碰撞吸能盒相比，本案例中吸能盒在有效质量大幅降低48.1％后，总吸收能量仍提高5％，吸能量达到10.4kJ，比吸能明显优于传统车用吸能盒，达到20.59kJ/kg，比雅力士吸能盒提高119％。
在表2中，301不锈钢吸能盒样品在SMAT处理前后及丰田-雅力士车用吸能盒性能对比(位移150mm)。
表2
由此可以证明，利用SMAT处理特点对碰撞吸能盒进行分布式材料强度设计，能显著的提升其吸能能力。另一方面，利用材料强度差异有效的避免了初始载荷的升高，也节省了加工成本。
本实施例中的其余技术特征与实施例1相同，为了节约篇幅，本实施例不再详细介绍。
实施例3
在本实施例中，纳米量级晶粒结构区域2在本体1的表面为环向周期性分段式分布。如图10所示，沿本体1的周向，纳米量级晶粒结构区域2和非纳米量级晶粒结构区域3交替排列。
沿本体1的周向，纳米量级晶粒结构区域2的宽度大于非纳米量级晶粒结构区域3的宽度。
本发明中所述长度全部为本体1的轴线方向的尺寸，本发明中所述宽度全部为本体1的周向的尺寸。
本实施例中的其余技术特征与实施例1相同，为了节约篇幅，本实施例不再详细介绍。
实施例4
在本实施例中，沿本体1的周向，本体1的表面设有多个相同的扇区4，如图11所示，每个扇区4的上下边界为本体1的上下两端，每个扇区4的左右边界为与本体1的轴线平行的直线(也可以称为母线)。在每个扇区4内，纳米量级晶粒结构区域2和非纳米量级晶粒结构区域3沿本体1的轴线方向交替排列，在相邻的两个扇区4中纳米量级晶粒结构区域2一一对应。
纳米量级晶粒结构区域2可以为环形、正方形、菱形、三角形或梯形。优选纳米量级晶粒结构区域2为等腰三角形，纳米量级晶粒结构区域2的底边与本体1的轴线垂直，纳米量级晶粒结构区域2的底边的宽度与该纳米量级晶粒结构区域2所在的扇区4的宽度相同，纳米量级晶粒结构区域2的高与本体1的轴线平行，如图11所示。
本实施例中的其余技术特征与实施例1相同，为了节约篇幅，本实施例不再详细介绍。
实施例5
在本实施例中，沿本体1的周向，本体1的表面设有多个相同的扇区4，如图12所示，每个扇区4的上下边界为本体1的上下两端，每个扇区4的左右边界为与本体1的轴线平行的直线(也可以称为母线)。在每个扇区4内，纳米量级晶粒结构区域2和非纳米量级晶粒结构区域3沿本体1的轴线方向交替排列，在相邻的两个扇区4中纳米量级晶粒结构区域2交错排列。
纳米量级晶粒结构区域2可以为环形、正方形、菱形、三角形或梯形。优选纳米量级晶粒结构区域2为等腰三角形，纳米量级晶粒结构区域2的底边与本体1的轴线垂直，纳米量级晶粒结构区域2的底边的宽度与该纳米量级晶粒结构区域2所在的扇区4的宽度相同，纳米量级晶粒结构区域2的高与本体1的轴线平行，如图12所示。
本实施例中的其余技术特征与实施例2相同，为了节约篇幅，本实施例不再详细介绍。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (4)
1.一种吸能盒，其特征在于，所述吸能盒包括管状的本体(1)，本体(1)的表面设有纳米量级晶粒结构区域(2)和非纳米量级晶粒结构区域(3)，纳米量级晶粒结构区域(2)中晶粒的至少一维尺寸小于或等于100纳米，非纳米量级晶粒结构区域(3)中晶粒的三维尺寸均大于100纳米；
沿本体(1)的周向，本体(1)的表面设有多个扇区(4)，在每个扇区(4)内，纳米量级晶粒结构区域(2)和非纳米量级晶粒结构区域(3)沿本体(1)的轴线方向交替排列，在相邻的两个扇区(4)中纳米量级晶粒结构区域(2)交错排列；
本体(1)的断面为正多边形，扇区(4)的数量与该正多边形的边数相同，本体(1)的侧面与扇区(4)一一对应匹配；
沿本体(1)的轴线方向，纳米量级晶粒结构区域(2)的长度大于非纳米量级晶粒结构区域(3)的长度。
2.根据权利要求1所述的吸能盒，其特征在于，纳米量级晶粒结构区域(2)为环形、正方形、菱形、三角形或梯形。
3.根据权利要求1所述的吸能盒，其特征在于，纳米量级晶粒结构区域(2)和非纳米量级晶粒结构区域(3)均位于本体(1)的外表面，本体(1)的材质为不锈钢、铝合金或镁合金。
4.一种吸能盒的制造方法，其特征在于，该吸能盒的制造方法能够制造出权利要求1～3中任意一项所述的吸能盒，该吸能盒的制造方法包括以下步骤：
步骤1、将本体(1)装卡固定；
步骤2、采用表面机械研磨方法处理本体(1)的表面，使本体(1)的表面形成纳米量级晶粒结构区域(2)。
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