用於中空結構的活性材料插入件的製作方法

2023-06-07 09:12:56

專利名稱：用於中空結構的活性材料插入件的製作方法
技術領域：
本發明涉及適於與中空結構元件一起使用的結構插入件，更具體地涉及包括 至少一種活性材料的局部或全面插入件，所述活性材料在激活或減活(activation or deactivation)時能夠可逆地改變因此而構成的組件的可插入性或例如硬度、阻尼、幾何構 造的特性或能量吸收率。
背景技術：
例如金屬板、"I"形梁l(現有技術，圖la)、"L"和"C"形角鐵2、3(圖lb， c)、柵 格、桁架的結構插入件以及泡沫材料已經被開發以提供對中空元件4的加強。為了實現它 們的預期功能，這些插入件經常被壓配合(當接合相對的內表面時)、拉伸或液壓成型到合 適位置，然後通常通過點焊或縫焊而結合到一起。 一旦結合到產品(例如車輛)中，缺乏到 元件內部或其周圍空間的通路經常導致不能以此方式改進該產品。替代性地，插入件可在 形成中空結構元件之前固定到合適位置。 一旦就位，元件和插入件的組件相互協作以提供 通用型結構解決方案，其中因此而構成的組件的特徵-例如結構能力、撓曲彈性模量以及 阻尼/能量吸收率保持不變。結果，本領域中總是存在常規插入件的問題，包括但不限於需 要大量勞動和製造成本以及不能針對給定條件和/或迫近事件而改變或調節結構特徵。而 且，在試圖改進現有產品時，放置插入件的常規方法也存在問題。

發明內容
考慮到前述問題，本發明涉及一種適用於中空結構從而構建可改變組件的活性材 料插入件，以及構建可改變組件的方法。由於活性材料具有的可逆變化特性，本發明在選擇 性地改變組件的例如硬度、阻尼、壓碎模式/能量吸收的特性中是有用的。在優選實施方式 中，本發明對於促進組件的構建是有用的。本發明的其他優點包括提供組件特性的主動場 控制調節。最後，應認識到，與相似的基於機械、材料、機電、液壓或氣動的加強系統相比，使 用活性材料元件增大了能量效率，同時減小了重量和/或複雜性。
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總體上，本發明涉及一種可改變的結構組件，其包括限定內部開口的中空結構元 件以及在開口內固定定位的至少一個插入件。插入件至少部分地由活性材料形成，所述材 料能夠分別在被激活和減活時達到不同的第一和第二狀態。所述元件和至少一個插入件協 作性地配置成在材料處於第一狀態時呈現第一組件特徵值，而在材料處於第二狀態時呈現 第二組件特徵值。 本發明的其它方面和優點-包括採用形狀記憶合金、鐵磁體形狀記憶合金、形狀 記憶聚合體和/或磁流變彈性體來改變組件特徵，將在下面對優選實施方式( 一個或多個) 的詳細描述和附圖中變得明顯。


下面參照附圖詳細描述本發明的優選實施方式(一個或多個)，附圖中圖la是 本領域已知的現有技術中空結構和"I"形梁角鐵加強插入件的截面圖；圖lb是本領域已知 的現有技術中空結構和"L"形角鐵加強插入件的截面圖；圖lc是本領域已知的現有技術中 空結構和"C"形角鐵加強插入件的截面圖；圖2是根據本發明優選實施方式的可改變組件 的立體圖，所述組件包括中空結構元件和多個插入件，其都包含在車輛中；圖3是根據本發 明優選實施方式的中空結構和具有活性材料橫杆的"I"形梁插入件的截面圖；圖4是根據 本發明優選實施方式的非線性結構元件的立體圖，所述元件限定彎曲部並且具有基於活性 材料的插入件；以及圖5是根據本發明優選實施方式的中空結構、多孔插入件以及活化磁 場的截面圖。
具體實施例方式
本發明涉及適於與中空結構12 —起使用從而形成組件14的基於活性材料的插入
件10。更具體地，插入件10的至少一部分由活性材料10a製成，將在下面進一步描述的活
性材料10a的可逆變化性有助於製造過程或實現組件14的至少一個特徵的變化。在本文
討論的圖示和優選的實施方式中，基於活性材料的局部插入件10被採用和使用在車輛環
境中；例如圖1所示，多個加強插入件10可以被車輛16的預先存在的側軌12採用。在此
構造中，優選的插入件IO在激活或減活狀態下呈現減小的截面面積(取決於所選的活性材
料)，從而有助於在軌道或其他結構元件內的插入和放置。 一旦被恰當定位，每個插入件10
被激活(或減活)從而膨脹並對元件施加保持力，由此將其鎖定在合適位置。這樣，本發明
提供了改進現有車輛或結構的中空元件的改進方法。鎖定在合適位置還可通過插入件在膨
脹時與中空截面的任意/所有不規則幾何形狀相匹配而完全或部分實現。 在本發明的範圍內可將插入件10的益處和優點用於其他應用場合，例如提高地
震帶中的商業大廈建築物、基礎設施的安全性以及改善其性能，或提高定做家具和設備的
安全性或舒適性。 I.活性材料討論和功能 本文所使用的術語"活性材料"應為本領域技術人員所理解的普通意思，並且包括 當暴露於外部信號源時在基本(例如化學或固有物理)性質方面呈現可逆變化的任意材料 或複合物。因此，活性材料應包括能夠響應於激活信號而在硬度性質、形狀和/或尺寸方面 發生變化的那些成分，針對不同的活性材料激活信號可採用電、磁、熱和類似領域的類型。
用於本發明的合適的活性材料包括但不限於形狀記憶材料_例如合金、聚合體和 陶瓷、鐵磁體形狀記憶合金以及磁流變及電流變彈性體。形狀記憶材料通常指的是具有記 住它們初始的至少一個屬性-例如形狀的能力的材料或合成物，該初始形狀隨後能夠通過 施加外部激勵而復原。這樣，從初始形狀的變形是暫時的情況。以此方式，形狀記憶材料 能夠響應於激活信號而變成所要求的形狀。示例性形狀記憶材料包括前述形狀記憶合金 (SMA)和形狀記憶聚合體(SMP)以及形狀記憶陶瓷、電活性聚合物(EAP)、鐵磁體SMA、電流 變(ER)合成物、磁流變(MR)合成物、介電彈性體、離子聚合體金屬合成物(IPMC)、壓電聚合 體、壓電陶瓷、上述材料的各種組合物等。 形狀記憶合金(SMA)指的是一類金屬材料，當受到合適的熱激勵時，這些材料能 夠返回到某種預先限定的形狀或者尺寸。形狀記憶合金能夠發生相變，在相變過程中其屈 服強度、硬度、尺寸和/或形狀作為溫度的函數而改變。術語"屈服強度"是指材料的應力 和應變比例出現特定偏差時的應力。通常，在低溫或者馬氏體相時，形狀記憶合金可塑性變 形，但是當暴露於某一較高溫度時其會轉變為奧氏體相或者母相，從而返回到其變形前的 形狀。僅當加熱時顯現這種形狀記憶效應的材料被稱為單向形狀記憶材料。當再冷卻時還 顯現形狀記憶效應的那些材料被稱為具有雙向形狀記憶行為。 形狀記憶合金存在於若干不同的隨溫度而變的相中。最常使用的這些相是上述所 謂的馬氏體和奧氏體相。在下面的討論中，馬氏體相泛指更容易變形的、更低溫度的相，而 奧氏體相泛指更具剛性的、更高溫度的相。當形狀記憶合金處於馬氏體相併被加熱時，其開 始轉變為奧氏體相。這種現象開始時的溫度常被稱為奧氏體起點溫度(As)。這種現象完成 時的溫度被稱作奧氏體終點溫度(Af)。 當形狀記憶合金處於奧氏體相併被冷卻時，其開始轉變為馬氏體相，並且這些現 象開始時的溫度被稱為馬氏體起點溫度(Ms)。奧氏體完成轉變至馬氏體時的溫度被稱作馬 氏體終點溫度(Mf)。通常，形狀記憶合金在其馬氏體相時是較軟的並且更容易變形，而在奧 氏體相時是更硬的、更堅硬的和/或更剛性的。鑑於以上所述，用於形狀記憶合金的合適的 激活信號是熱激活信號，該激活信號的大小能夠引起馬氏體和奧氏體相之間的轉變。
形狀記憶合金可呈現單向形狀記憶效應、固有的雙向效應、或非固有的雙向形狀 記憶效應，這取決於合金成分和加工過程。退火的形狀記憶合金通常僅僅呈現單向形狀記 憶效應。形狀記憶材料低溫變形之後的充足加熱將導致馬氏體至奧氏體類型的轉變，並且 該材料將恢復初始的、退火的形狀。因此，單向形狀記憶效應僅僅當加熱時被觀察到。包括 呈現單向記憶效應的形狀記憶合金組合物的活性材料不會自動地復原，並且可能會需要外 部機械力以復原成先前適於氣流控制的形狀。 固有的和非固有的雙向形狀記憶材料特徵為當兩者從馬氏體相加熱到奧氏體相 時形狀轉變，以及當從奧氏體相冷卻回到馬氏體相時另外的形狀轉變。呈現固有的形狀記 憶效應的活性材料是由形狀記憶合金組合物製造的，由於上述相變，所述形狀記憶合金組 合物將使活性材料本身自動復原。固有的雙向形狀記憶行為必須通過加工在形狀記憶材料 中產生。這種過程包括在馬氏體相中在強制作用或負荷下加熱-冷卻時的極端變形，或表 面改性-如雷射退火、拋光或噴丸處理。 一旦材料已被訓練而呈現雙向形狀記憶效應時，低 溫和高溫狀態之間的形狀變化通常是可逆的並且持續經過高次數的熱循環。相反，呈現非 固有的雙向形狀記憶效應的活性材料是將呈現單向效應的形狀記憶合金組合物與提供回
6復力以復原初始形狀的另一種元素結合的複合物或多成分材料。 在被加熱時形狀記憶合金能夠記住其高溫形態時的溫度可通過合金成分的輕微 改變以及通過熱處理來調節。例如，在鎳-鈦形狀記憶合金中，它可從高於約IO(TC至低於 約-IO(TC變化。形狀復原過程出現在只有幾度的範圍內，並且可以將轉變的起始和完成控 制到一度或兩度，這取決於期望的應用和合金成分。形狀記憶合金的機械性能在跨越其轉 變的溫度範圍內改變很大，通常為系統提供形狀記憶效應、超彈性效應和強阻尼容量。 合適的形狀記憶合金材料包括但不限於鎳_鈦基合金、銦_鈦基合金、鎳_鋁基 合金、鎳_鎵基合金、銅基合金(例如，銅_鋅合金、銅_鋁合金、銅_金和銅_錫合金)、 金_鎘基合金、銀_鎘基合金、銦_鎘基合金、錳_銅基合金、鐵_鉑基合金、鐵_鉑基合金、 鐵_鈀基合金等。合金可是二元的、三元的、或者任何更高級的，只要合金成分呈現形狀記 憶效應，例如形狀取向、阻尼容量等的變化。 因此，為了本發明的目的，應認識到當加熱超過其馬氏體到奧氏體相變溫度時， SMA呈現了 2. 5倍的模量增加和達到8%的尺寸變化(這取決於預應變的量)。應認識到 熱誘發SMA相變是單向的，使得一旦施加的場除去，將需要偏壓力回復機構(例如彈簧)來 使SMA返回到其起始構造。焦耳加熱能夠用於使整個系統可電子控制。然而，SMA中的應 力誘發相變本質上是雙向的。當SMA處於其奧氏體相時應用足夠的應力將導致其變為其低 模量的馬氏體相，其中SMA能夠呈現達到8X的"超彈性"變形。施加的應力的除去將導致 SMA變回到其奧氏體相，這時恢復其起始形狀和更高的模量。 也可用於本發明的鐵磁體SMA(FSMA)是SMA的子類。這些材料的行為與常規SMA 材料相似，在馬氏體和奧氏體之間具有應力或熱誘發相變。此外，FSMA具有鐵磁性並且具 有強的磁晶各向異性，這使得外部磁場可以影響場排列的馬氏體變體的取向/份數。在去 除了磁場時，該材料可呈現完全雙向、部分雙向或單向的形狀記憶。對於部分或單向形狀記 憶，外部激勵、溫度、磁場或應力可使該材料恢復到其初始狀態。完美的雙向形狀記憶可用 於使用所施加的連續功率成比例控制。單向形狀記憶最適用於軌道填充應用。在汽車應用 中，外磁場通常是通過軟磁芯電磁體產生的，儘管也可以使用一對Helmholtz線圈用於快 速響應。 形狀記憶聚合物(SMP)泛指一類聚合物的材料，當受到合適的熱激勵時，其呈現
出能夠返回到某種預先限定的形狀。形狀記憶聚合物能夠經受相變，其中其形狀作為溫度
的函數而改變。通常，SMP具有兩個主要部段，硬部段和軟部段。預先限定的或者永久性形
狀可以通過熔融或者在高於最高熱轉化的溫度下加工該聚合物然後冷卻到低於該熱轉化
溫度而固化。最高熱轉化通常是該硬部段的玻璃態轉化溫度(Tg)或熔點。暫時性形狀可以
通過將該材料加熱到高於軟部段的Tg或轉化溫度、但低於該硬部段的Tg或熔點的溫度而固
化。當在軟部段轉化溫度加工該材料並隨後冷卻固定該形狀時，固化了該暫時性形狀。通
過將該材料加熱到軟部段的轉化溫度之上，該材料可以被復原到永久性形狀。 例如，聚合物材料的永久性形狀可為具有基本上變直的形狀並限定第一長度的
線，而暫時性形狀可為限定小於第一長度的第二長度的類似線。在另一個實施方式中，該材
料可呈現在激活時具有第一彈性模量並且在減活時具有第二彈性模量的彈簧。 永久性形狀復原所需的溫度可以被設置在約-63t:至約12(TC或以上的任何溫
度。加工該組合物和聚合物結構本身可以使得對於期望的應用選擇特定的溫度。對於形狀
7復原優選的溫度是大於或等於約-301:，更優選地大於或等於約ot:，最優選溫度大於或等 於約5(TC。此外，對於形狀復原優選的溫度是小於或等於約12(TC，並且最優選小於或等於 約120。C並且大於或等於約80°C。 合適的形狀記憶聚合體物包括熱塑性材料、熱固性材料、互穿網絡、半互穿網絡或 混合網絡。該聚合體可以是單個聚合體或聚合體的混合物。該聚合體可以是直鏈或支鏈的 帶有側鏈或樹枝狀結構元素的熱塑性彈性體。形成形狀記憶聚合體合適的聚合體成分包括 但不限於聚磷腈、聚(乙烯醇)、聚醯胺、聚酯醯胺、聚(胺基酸)、聚酐、聚碳酸酯、聚丙烯酸 酯、聚亞烷基、聚丙烯醯胺、聚(亞烷基)二醇、聚亞烷基氧、聚對苯二甲酸亞烷酯、聚原酸 酯、聚乙烯醚、聚乙烯酯、聚滷乙烯、聚酯、聚交酯、聚乙醇酸交酯、聚矽氧烷、聚氨酯、聚醚、 聚醚醯胺、聚醚酯纖維和其共聚物。合適的聚丙烯酸酯的實例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)、 聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(異丁烯酸異丁脂)、聚(甲基丙烯酸己 酯)、聚(甲基丙烯酸異癸酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯 酸甲酯)、聚(丙烯酸異丙酯)、聚(丙烯酸異丁酯)並且聚(丙烯酸十八烷酯)。其他適合 的聚合物的實例包括聚苯乙烯、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(對苯二甲酸乙二酯)、聚乙烯 /尼龍(接枝共聚物)、聚己酸內酯-聚醯胺(嵌段共聚物)、聚(己內酯)二甲基丙烯酸 酯_丙烯酸正丁酯、聚(降冰片烷基_多面體寡聚倍半矽氧烷)、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，為了本發明的目的，應認識到當加熱超過具有低玻璃態轉化溫度的組分的 玻璃態轉化溫度時，SMP呈現巨大的模量下降。如果在溫度下降時維持負荷/變形，變形的 形狀將在SMP中設定直到其重新加熱，同時在沒有負荷的條件下其將返回到模製形狀。盡 管SMP可不同地用於塊，片，平板，柵格，桁架，纖維或泡沫形態，它們需要連續的功率以維 持在其低模量狀態。因此，它們適於插入件10的可逆形狀設定。 如前所述，用於本發明的合適的活性材料還可包括磁流變(MR)或電流變(ER)成 分，例如MR或ER彈性體。這些元件可進一步包括流體介質。這些材料基於磁場的應用或電 壓降而快速地改變其流變性質。例如，MR彈性體(MRE)是亞微米尺寸的可磁性極化的鐵粒 子在熱固性彈性聚合體或橡膠中的懸浮物。由於產生的對齊以及場中初始隨機磁化矢量之 間距離的縮短，外部磁場的應用使材料變硬；並且相同的機構負責"磁致伸縮"，即外部磁場 方向上的長度變化(縮短)。MR彈性體當暴露於磁場幾毫秒短的時間內通常發展了結構。 中止MRE暴露於磁場將彈性體返回到其低模量狀態的過程逆向。這樣，MRE很好地適於希 望在不同操作條件下連續且可控地改變插入件有效硬度的應用。 儘管如前所述，主要關於SMA， SMP， FSMA和MRE進行描述，使用其他活性材料也是 在本發明的範圍內，所述其他材料例如電活性聚合體(EAP)，其包括響應於電場或磁場呈現 壓電，熱電或電致伸縮性質的聚合物材料。關於壓電材料(PM)，應認識到PM可置於柔性金 屬條或陶瓷板上。該條可為單壓電晶片或雙壓電晶片。優選地，條為雙壓電晶片，因為雙壓 電晶片比單壓電晶片通常具有更多的移動。
II.示例性系統、方法和應用 轉向本發明的教導，基於活性材料的插入件10的示例性實施方式在下面討論並 在圖2-5中示出。
在優選實施方式中，結構12形成限定內部高度和寬度的開口 18，並且在為了插入 而定向時，插入件10呈現小於開口 18的全等尺寸的最大減活高度和/或寬度，從而便於插 入。 一旦定位，當根據所選材料激活或減活時，插入件10配置成試圖達到大於開口 18的全 等尺寸的第二高度或寬度尺寸。更具體地，在中空結構12的第一和第二內表面12a、12b(圖 3)被接合併限定內截面尺寸時，插入件10配置成具有小於前述內部尺寸-更優選地小於前 述內部尺寸的85%、最優選地小於前述內部尺寸的75%的第一全等長度。
形狀記憶材料優選地用於這種構造。例如圖3所示，"I"形梁插入件10的橫杆可 由形狀記憶材料10a形成，使得當激活或減活時，導致在其他插入件結構10b上施加向外的 力(例如，梁的互連接合板)。 插入件IO可包括處於默認馬氏體相的SMA材料，其被熱激活以引發從馬氏體到奧 氏體的相變。SMA插入件10-不管是泡沫、柵格、桁架、中空外殼、多孔的、還是其他的都被配 置成優選地但不是必須地在其馬氏體狀態下完全填充開口 18。在激活的奧氏體狀態下，插 入件10被壓縮/變形到較小尺寸，從而允許其插入開口 18中。 一旦插入，插入件10可被 引發達到其更有延展性的馬氏體狀態，從而到達結構12內的難以接近的內部位置。例如， 其可為縱向軌道部分中彎曲區域(圖4)，在此處需要以各種方式加強、改變硬度或防止彎 折。 替代性地，SMA插入件10可從初始的奧氏體狀態被應力激活到馬氏體狀態並返 回。在此構造中，奧氏體SMA插入件10被壓縮直到激活到更有延展性的馬氏體狀態、被插 入開口 18內、然後隨著插入件IO部分或全部恢復到其奧氏體狀態而被釋放從而允許其膨 脹。應認識到由於其顯著的應力/應變磁滯循環奧氏體SMA插入件適於提供聲音和振動阻 尼。 如上所述，本發明的該方面有助於並提供了改進現有結構的新穎方法。而且，應認 識到，現有製造工藝_例如大多數汽車製造工藝中的固化工藝的加熱部件能夠用於激活活 性材料插入件，從而導致沒有額外的功率要求。 在另一個實施方式中，利用了 SMP中的熱激活硬度和形狀變化。在這方面，SMP插 入件10-不管是泡沫、柵格、桁架、中空外殼、多孔的、還是其他的和結構12被協作地配置， 使得插入件10優選地但不是必須地完全填充開口 18。應認識到在更高的溫度和更軟的狀 態下，SMP插入件10達到更小的尺寸，這允許其被插入開口 18中。在更有延展性的狀態下， SMP插入件10也能夠更好地在彎曲區域中行進(navigate)，例如圖4所示。 一旦插入，熱 激活被保持一段時間，從而導致SMP插入件10緩慢地返回到其初始尺寸，或者如果較小的 話達到中空結構12的內部尺寸。熱激活然後停止。還應認識到隨著SMP材料冷卻，其硬度 大幅度增加並鎖定在SMP插入件10的新形狀中。為了移除插入件IO，或為了降低組件14 的硬度，插入件IO可被重新加熱。熱激活可被動完成，例如通過車輛16的發動機生成的熱 能，或作為第二個例子在烘漆房中，或通過來自車輛16的充電系統的使用者(例如駕駛員) 致動的焦耳加熱汲取功率。 在另一個實施方式中，FSMA的激活由磁場20的應用來實現並用於快速地(相對於 熱或焦耳加熱)操縱插入件10的硬度和/或形狀(圖5)。在此構造中，單向效應通過激活 產生，除非場20能夠逆向，如應認識到的，停止激活場20本身不會使材料10a返回到其初 始狀態。類似於之前的實施方式，為了定位插入件10，場20被用於減小其尺寸；一旦定位，該場被反向從而導致插入件10恢復或試圖恢復到其之前的尺寸。在另一個實施方式中，插 入能夠在插入件10處於更具延展性且更容易變形的初始狀態時實現。 一旦定位，場20然 後被用於產生形狀或硬度的改變。而且，應認識到插入件IO在被退活時將維持其改變的狀 態，除非場20被反向。 在另一個實施方式中，磁流變彈性體(MRE)被用於產生硬度和形狀變化。類似於 FSMA， MRE是場激活的，如圖5所示；然而與FSMA相反，MRE主要呈現雙向效應，如應認識到 的，性質(例如硬度和/或形狀)的變化與所施加的場的強度成比例。因此，為了放置插入 件10，場20被用於使尺寸壓縮/變形；一旦定位，場20被去除，從而恢復其初始尺寸。在 另一個實施方式中，插入在插入件10處於更具延展性且更容易變形的初始狀態時實現，並 且在放置插入件10之後場20的應用用於快速地改變其硬度。 在本發明的另一個方面，基於活性材料的插入件10能夠用於選擇性地改變結構 12的狀態_例如硬度、阻尼、以及壓碎模式/能量吸收，其中所述選擇性可通過人工或自動 方式產生。關於後者，插入件10可通信地聯接到至少一個傳感器22 (圖2)，所述傳感器配 置成用於檢測狀況或事件的發生並通信至插入件10。更優選地，傳感器22和插入件10可 由控制器24互相聯接，所述控制器24配置成接收來自傳感器22的數據，將所述數據與預 定閥值進行比較，從而預測或確定狀況或事件，並且僅當閥值被超過且狀況或事件被預測 或確定時將激活信號發送至插入件10。例如圖2所示，車輛側軌的插入件10可僅當車輛 16的碰撞避免安全系統檢查或預測到即將發生碰撞時被激活。在此方面，在提供SMP插入 件10的情況下，激活可選擇性地用於在車輛16的框架中產生增大的能量吸收區域。因此 有利的是，本發明的優選實施方式提供了組件特性的主動場控制調節。
本文公開的範圍都是包括性的並且是可組合的(例如"達到約25wt^，或更具體 地約5wt^至約20wt^"的範圍包括端點和範圍"約5wt^至約25wt^"範圍內的所有中間 值等)。"組合"包括摻混物、混合物、合金、反應產物等。進一步地，術語"第一"、"第二"等 在此並不意味著任何順序、數量或重要性，而是用於區別一個要素和另一個要素，本文中的 術語"一"和"一個"並不是指數量限制，而是指至少一種所引用物體的存在。和數量結合 使用的修飾語"約"是包括性的狀態值，並具有上下文規定的含義(例如其包括與特定數量 的測量相關的誤差程度)。本文所用的複數後綴用於包括其修飾的術語的單數和複數形式， 因此包括一個或多個該術語(例如著色劑(一種或多種)包括一種或多種著色劑)。在整 個說明書中所述的"一個實施方式"、"另一個實施方式"和"實施方式"等表示與該實施方 式結合描述的特定元素(例如特點、結構和/或特徵)包括在本文所述的至少一個實施方 式中，並且可以存在於或不存在於其他實施方式中。此外，應當理解在各個實施方式中，所 描述的元素可以以任何適當的方式進行組合。 已經參照示例性實施方式對本發明進行了描述；本領域技術人員將會理解的是， 在不脫離本發明的範圍的情況下，可以作出各種改變，對於其中的元素可以用等價物替代。 此外，在不脫離本發明的實質性範圍的情況下，可以進行各種改型以便使特定情況或材料 適用於本發明的教導。因此，本發明不限於作為實施本發明的預期最佳方式而公開的特定 實施方式，而是包括落入所附權利要求範圍內的所有實施方式。
權利要求
一種可改變的結構組件，包括限定內部開口的中空結構元件；以及在所述開口內固定定位的至少一個插入件，所述插入件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料能夠分別在被激活和減活時達到不同的第一和第二狀態，所述元件和至少一個插入件協作性地配置成在所述材料處於第一狀態時呈現第一組件特徵值，在所述材料處於第二狀態時呈現第二組件特徵值。
2. 根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述材料選自主要由下列各項組成的集 合形狀記憶合金，鐵磁體形狀記憶合金，形狀記憶聚合體，磁流變彈性體，介電彈性體，離 子聚合體金屬合成物，壓電聚合體，以及壓電陶瓷。
3. 根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述元件為車輛的框架部件，所述組件特 徵值是在碰撞事件中由所述元件吸收的能量大小。
4. 根據權利要求3所述的組件，其特徵在於，所述材料通過由車輛生成或施加到車輛 上的熱能被動地激活。
5. 根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述開口限定第一內部尺寸，並且所述插 入件在被插入且激活時全等地限定小於第一尺寸的第二尺寸，並且在被插入且減活時用於 限定大致等於或大於第一尺寸的第三尺寸，從而以各種不同方式產生與所述元件的內部幾 何特徵的機械互鎖或在所述元件上施加力。
6. 根據權利要求5所述的組件，其特徵在於，所述第二尺寸小於第一尺寸的85%。
7. 根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述開口限定第一內部尺寸，並且所述插 入件在被插入且減活時全等地限定小於第一尺寸的第二尺寸，並且在被插入且激活時用於 限定優選大於第一尺寸的第三尺寸，從而在所述元件上施加力。
8. 根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述元件進一步限定非線性縱軸，所述縱 軸包括至少一個彎曲，並且所述插入件在被激活時處於更具延展性的狀態，從而確保所述 插入件在所述彎曲內輕鬆地彎曲，並且所述插入件在被減活時處於剛性狀態，從而產生與 所述組件的機械互鎖並且優選地增大所述組件的硬度。
9. 根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述元件進一步限定非線性開口和至少 一個彎曲，並且所述插入件在被減活時處於更具延展性的狀態，從而確保所述插入件在所 述彎曲內輕鬆地彎曲，並且所述插入件在被激活時處於剛性狀態，從而產生與所述組件的 機械互鎖並且優選地增大所述組件的硬度。
10. 根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述插入件的構造選自主要由下列各項 組成的集合"I"形梁，泡沫，柵格，桁架，中空外殼以及多孔塊。
11. 根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述組件特徵值限定值的變化，所述材 料由限定強度的磁場激活並達到第一狀態，所述值的變化與所述強度成比例。
12. 根據權利要求l所述的組件，進一步包括通信地聯接至所述插入件的至少一個傳感器，所述傳感器配置成用於確定事件並且能 夠在確定了所述事件時使所述材料被激活。
13. 根據權利要求12所述的組件，進一步包括通信地聯接至所述至少一個傳感器和插入件的控制器，所述控制器配置成接收來自所 述至少一個傳感器的數據、將所述數據與預定閥值進行比較、並且僅當所述閥值被超過時使所述材料被激活。
14. 根據權利要求12所述的組件，其特徵在於，所述元件為車輛的框架部件，所述事件 為碰撞。
15. —種適用於中空結構元件的插入件，所述中空結構元件限定相對的內表面，其中， 所述表面共同限定開口和內部尺寸，所述插入件限定第一插入件尺寸並包括活性材料元 件，所述活性材料元件配置成將第一插入件尺寸變為第二插入件尺寸，所述第一和第二插 入件尺寸中的一個小於所述內部尺寸，從而有助於插入所述開口中，所述第一和第二插入 件尺寸中的另 一個大於所述內部尺寸。
16. —種改變結構組件的方法，所述結構組件包括中空結構元件，所述中空結構元件限定開口，所述方法包括以下步驟a. 固定所述元件，從而選擇性地應用狀況或事件；b. 將至少一個插入件固定在所述開口內，其中，所述插入件至少部分地由活性材料形成，所述活性材料能夠分別在被激活和減活時選擇性地達到不同的第一和第二狀態；以及c. 當參與所述狀況或事件時，激活所述材料，從而達到所述第一和第二狀態中的一個， 並且通過激活所述材料而改變所述組件。
17. 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述材料由激活信號激活，所述激活 信號選自主要由下列各項組成的集合熱力加熱，焦耳加熱，應力激活，施加磁場，和化學激 活。
18. 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述材料由磁場激活從而達到所述第一和第二狀態中的一個，並且通過使所述磁場逆向而達到所述第一和第二狀態中的另一 個。
19. 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，步驟a)和c)進一步包括以下步驟選 擇性地應用聲波和/或結構振動，並通過激活所述材料而改變所述組件的阻尼率。
20. 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述組件包括在製造工藝中製成的車 輛，所述工藝具有油漆固化部件，並且所述材料由油漆固化部件激活並達到所述第一和第 二狀態中的一個。
全文摘要
本發明涉及一種用於中空結構的活性材料插入件。具體而言，提供了一種可改變的結構組件，其包括位於中空結構元件內的基於活性材料的插入件，其中插入件限定第一插入件尺寸，所述插入件配置成在被激活時將第一插入件尺寸變為第二插入件尺寸，並且選擇性地達到第一或第二尺寸有助於插入件的定位，或者當插入件被定位時改變組件的特徵，所述特徵例如是硬度、阻尼效應或能量吸收率。
文檔編號B62D21/15GK101782178SQ20091022178
公開日2010年7月21日 申請日期2009年11月16日 優先權日2008年11月14日
發明者A·L·布勞恩, N·L·詹森 申請人:通用汽車環球科技運作公司