[发明专利]一种仿骨骼微观结构的汽车侧门防撞梁的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生机械设计领域，特别涉及一种仿骨骼微观结构的汽车侧门防撞梁的制造方法。 

背景技术

骨是组成脊椎动物的内部支架的结构材料，骨由羟基磷灰石和胶原纤维组成的复合材料，羟基磷灰石非常坚硬，胶原纤维弹性非常好。因为柔韧的胶原纤维可以阻止硬材料的脆性断裂，而坚硬的硬材料又可以阻止软材料的屈服。从结构上来讲, 骨是天然的复合材料, 从微观到宏观组成多级复杂结构, 这种羟基磷灰石与胶原的混杂结构使骨具有独特的机械性能。研究资料表明，动物骨骼具有最优化的宏观、微观结构，在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的。因此骨骼是极其坚韧还轻质的复合材料，具有良好的承载性和抗冲击性。通过对骨骼的结构仿生和功能仿生及其理论计算与模拟，正在成为21世纪材料科学领域发展的热点和前沿课题。

汽车侧门防撞梁用以加强车辆侧面的结构，进而提高侧面撞击时的防撞抵抗力，以提升侧面的安全。轻质、低耗能和高安全性是现代汽车与交通工具设计所追求的目标。在轻量化的要求下,单纯通过增加材料用量以提高汽车结构的承载力和耐撞性已经变得不可行。针对防撞梁的结构进行优化设计和材料研究，使其承受的碰撞力和吸收的动能最大化、减轻其质量，己成为现代汽车科技研究的一项重要内容。

发明内容

本发明是为了满足汽车侧门防撞梁需要轻质还坚韧的优异机械特性、节能环保的要求，探索出的一种仿骨骼微观结构的汽车侧门防撞梁的制造方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

（1）利用Micro-CT断层扫描动物骨骼, 在Mimics中重建骨骼微观三维网格结构；

（2）利用Pro/E模仿不同动物骨骼微观结构优化设计汽车侧门防撞梁；

（3）在Abaqus6102SE中进行准静态压缩、三点弯曲、冲击仿真测试；

（4）快速成型仿骨骼微观结构的汽车侧门防撞梁；

（5）实验检测仿骨骼微观结构的侧门防撞梁和普通结构的侧门防撞梁的机械性能。

所述步骤（1）中，利用Micro-CT断层扫描动物骨骼获得DICOM通讯数据， 利用Mimics软件，经图像定位，合理阈值分割，动态分割，每层图像经选择性编辑和补洞处理，去除冗余数据，平滑处理，最后经3D计算得到优化的动物骨骼微观三维网格结构，所述的动物骨骼包括豹子胫骨、大老鼠胫骨、鸡股骨、绵羊股骨、袋鼠股骨、狞猫股骨。

所述步骤（3）中，在Abaqus6102SE中进行准静态压缩、三点弯曲、冲击仿真测试仿不同骨骼微观结构的汽车侧门防撞梁的机械性能；从而得到冲击压缩应力-应变关系、准静态压缩应力-应变曲线、拉伸应力-应变曲线、弯曲载荷-位移曲线、吸能-位移曲线。通过比较得到仿豹子胫骨微观结构的汽车侧门防撞梁具有相对轻质还坚韧的机械性能。

所述步骤（4）中，将优化得到的侧门防撞梁的三维网格结构的STL文件输入到选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)机器里，选用SLM 250HL机器，激光勾边扫描速度为20m/s,所述激光的功率为200 W～400W，扫描间距为30μm～85μm,成型缸每层的下降量为20μm～75μm，注入隋性气体氩气每分钟 1升～5升。分别采用铝合金6061、镁合金、钛合金粉末，利用SLM直接成型能加工出仿骨骼微观结构的汽车侧门防撞梁。

所述步骤（5）中，实验检测仿骨骼微观结构的侧门防撞梁和普通结构的侧门防撞梁的塑性变形能力及吸能能力，实验在英斯特朗万能试验机（型号：SJT3-KHFH001）开展。然后将按照美国轿车侧向碰撞法规FMVSS214中车门的动态试验和静态试验的要求进行实验检测。

本发明的有益效果：

（1）实验证明：仿豹子胫骨微观结构的侧门防撞梁相比普通结构的侧门防撞梁，在实现减重 53.4%的同时，静压支反力峰值提高了199.4%，平均压缩力提高了86.5%。在比吸能方面，仿豹子胫骨微观结构的侧门防撞梁是普通结构的侧门防撞梁的5.4倍。由此可见，仿豹子胫骨微观结构的侧门防撞梁在实现轻量化的同时，进一步提高了其强度和吸能性能；

（2）该发明还可推广应用到航空航天、机动车辆等需要轻质、吸能性好的零部件设计中，因而具有重要的工程实用价值。

附图说明

图1仿骨骼微观结构的汽车侧门防撞梁的制造方法路径图；

图2利用豹子胫骨不同的阈值下限值重建的三维网格结构放大图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。