[發(fā)明專利]一種仿骨骼微觀結(jié)構(gòu)的汽車側(cè)門防撞梁的制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310294745.9
• 申請(qǐng)日: 2013-07-11
• 公開（公告）號(hào): CN103353915A
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁友偉;曾曉紅;王勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;G01M17/007;G01M7/08;B60R19/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及仿生機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種仿骨骼微觀結(jié)構(gòu)的汽車側(cè)門防撞梁的制造方法。?

背景技術(shù)

骨是組成脊椎動(dòng)物的內(nèi)部支架的結(jié)構(gòu)材料，骨由羥基磷灰石和膠原纖維組成的復(fù)合材料，羥基磷灰石非常堅(jiān)硬，膠原纖維彈性非常好。因?yàn)槿犴g的膠原纖維可以阻止硬材料的脆性斷裂，而堅(jiān)硬的硬材料又可以阻止軟材料的屈服。從結(jié)構(gòu)上來(lái)講,?骨是天然的復(fù)合材料,?從微觀到宏觀組成多級(jí)復(fù)雜結(jié)構(gòu),?這種羥基磷灰石與膠原的混雜結(jié)構(gòu)使骨具有獨(dú)特的機(jī)械性能。研究資料表明，動(dòng)物骨骼具有最優(yōu)化的宏觀、微觀結(jié)構(gòu)，在比強(qiáng)度、比剛度與韌性等綜合性能上都是最佳的。因此骨骼是極其堅(jiān)韌還輕質(zhì)的復(fù)合材料，具有良好的承載性和抗沖擊性。通過(guò)對(duì)骨骼的結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生及其理論計(jì)算與模擬，正在成為21世紀(jì)材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和前沿課題。

汽車側(cè)門防撞梁用以加強(qiáng)車輛側(cè)面的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高側(cè)面撞擊時(shí)的防撞抵抗力，以提升側(cè)面的安全。輕質(zhì)、低耗能和高安全性是現(xiàn)代汽車與交通工具設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。在輕量化的要求下,單純通過(guò)增加材料用量以提高汽車結(jié)構(gòu)的承載力和耐撞性已經(jīng)變得不可行。針對(duì)防撞梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料研究，使其承受的碰撞力和吸收的動(dòng)能最大化、減輕其質(zhì)量，己成為現(xiàn)代汽車科技研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了滿足汽車側(cè)門防撞梁需要輕質(zhì)還堅(jiān)韌的優(yōu)異機(jī)械特性、節(jié)能環(huán)保的要求，探索出的一種仿骨骼微觀結(jié)構(gòu)的汽車側(cè)門防撞梁的制造方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

（1）利用Micro-CT斷層掃描動(dòng)物骨骼,?在Mimics中重建骨骼微觀三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；

（2）利用Pro/E模仿不同動(dòng)物骨骼微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車側(cè)門防撞梁；

（3）在Abaqus6102SE中進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、三點(diǎn)彎曲、沖擊仿真測(cè)試；

（4）快速成型仿骨骼微觀結(jié)構(gòu)的汽車側(cè)門防撞梁；

（5）實(shí)驗(yàn)檢測(cè)仿骨骼微觀結(jié)構(gòu)的側(cè)門防撞梁和普通結(jié)構(gòu)的側(cè)門防撞梁的機(jī)械性能。

所述步驟（1）中，利用Micro-CT斷層掃描動(dòng)物骨骼獲得DICOM通訊數(shù)據(jù)，?利用Mimics軟件，經(jīng)圖像定位，合理閾值分割，動(dòng)態(tài)分割，每層圖像經(jīng)選擇性編輯和補(bǔ)洞處理，去除冗余數(shù)據(jù)，平滑處理，最后經(jīng)3D計(jì)算得到優(yōu)化的動(dòng)物骨骼微觀三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所述的動(dòng)物骨骼包括豹子脛骨、大老鼠脛骨、雞股骨、綿羊股骨、袋鼠股骨、獰貓股骨。

所述步驟（3）中，在Abaqus6102SE中進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮、三點(diǎn)彎曲、沖擊仿真測(cè)試仿不同骨骼微觀結(jié)構(gòu)的汽車側(cè)門防撞梁的機(jī)械性能；從而得到?jīng)_擊壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、準(zhǔn)靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線、拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彎曲載荷-位移曲線、吸能-位移曲線。通過(guò)比較得到仿豹子脛骨微觀結(jié)構(gòu)的汽車側(cè)門防撞梁具有相對(duì)輕質(zhì)還堅(jiān)韌的機(jī)械性能。

所述步驟（4）中，將優(yōu)化得到的側(cè)門防撞梁的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的STL文件輸入到選區(qū)激光熔化(Selective?Laser?Melting,?SLM)機(jī)器里，選用SLM?250HL機(jī)器，激光勾邊掃描速度為20m/s,所述激光的功率為200?W～400W，掃描間距為30μm～85μm,成型缸每層的下降量為20μm～75μm，注入隋性氣體氬氣每分鐘?1升～5升。分別采用鋁合金6061、鎂合金、鈦合金粉末，利用SLM直接成型能加工出仿骨骼微觀結(jié)構(gòu)的汽車側(cè)門防撞梁。

所述步驟（5）中，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)仿骨骼微觀結(jié)構(gòu)的側(cè)門防撞梁和普通結(jié)構(gòu)的側(cè)門防撞梁的塑性變形能力及吸能能力，實(shí)驗(yàn)在英斯特朗萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：SJT3-KHFH001）開展。然后將按照美國(guó)轎車側(cè)向碰撞法規(guī)FMVSS214中車門的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和靜態(tài)試驗(yàn)的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)。

本發(fā)明的有益效果：

（1）實(shí)驗(yàn)證明：仿豹子脛骨微觀結(jié)構(gòu)的側(cè)門防撞梁相比普通結(jié)構(gòu)的側(cè)門防撞梁，在實(shí)現(xiàn)減重?53.4%的同時(shí)，靜壓支反力峰值提高了199.4%，平均壓縮力提高了86.5%。在比吸能方面，仿豹子脛骨微觀結(jié)構(gòu)的側(cè)門防撞梁是普通結(jié)構(gòu)的側(cè)門防撞梁的5.4倍。由此可見，仿豹子脛骨微觀結(jié)構(gòu)的側(cè)門防撞梁在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)，進(jìn)一步提高了其強(qiáng)度和吸能性能；

（2）該發(fā)明還可推廣應(yīng)用到航空航天、機(jī)動(dòng)車輛等需要輕質(zhì)、吸能性好的零部件設(shè)計(jì)中，因而具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1仿骨骼微觀結(jié)構(gòu)的汽車側(cè)門防撞梁的制造方法路徑圖；

圖2利用豹子脛骨不同的閾值下限值重建的三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)放大圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。