МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ТРУБА И КОНСТРУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ КУЗОВА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ТРУБУ
METAL PIPE AND STRUCTURAL ELEMENT OF VEHICLE BODY USING METAL PIPE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к ударопрочной металлической трубе и конструктивному элементу, использующему такую металлическую трубу.
Уровень техники
[0002] Металлическая труба, имеющая круглое поперечное сечение, то есть труба круглого сечения, является очень экономичной и имеет широкое применение. А значит труба круглого сечения используется в различных применениях. Например, трубу круглого сечения используют в качестве конструктивного элемента в транспортном средстве, здании или большой емкости. Такие конструктивные элементы должны обладать высокой стойкостью к удару или ударной прочностью.
[0003] Например, WO 2005/058624 (Патентный документ 1) раскрывает металлическую трубу, которая должна быть установлена на кузове автомобиля с обоими концами, закрепленными на нем для обеспечения ударной прочности. Данная металлическая труба содержит согнутый участок, который проходит по всей ее длине или только части ее длины. металлическая труба расположена так, что наружная сторона согнутого участка преимущественно ориентирована в направлении возможного удара, приложенного к кузову транспортного средства. Такая металлическая труба обладает более высокой ударной прочностью, чем элемент усиления, изготовленный из прямой трубы для усиления кузова транспортного средства.
Документы уровня техники
Патентные документы
[0004] Патентный документ 1: WO 2005/058624
Сущность изобретения
Проблемы, решаемые посредством изобретения
[0005] Когда металлическая труба принимает удар, превышающий ее предел текучести, она остро изгибается так, что остро изогнутый участок выступает. Когда толщину стенки металлической трубы уменьшают для уменьшения веса, степень выступания, возникающего тогда, когда труба остро изгибается под действием удара, имеет тенденцию увеличиваться. Если металлическую трубу используют, например, в качестве конструктивного элемента, то для защиты пассажира предпочтительно уменьшить степень выступания, возникающего тогда, когда металлическая труба принимает удар от столкновения и остро изгибается.
[0006] Исходя из этого, данная заявка раскрывает металлическую трубу, которая выступает в уменьшенной степени, когда она деформируется в результате удара, и конструктивный элемент, использующий такую металлическую трубу.
Средства для решения проблем
[0007] Металлическая труба в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения представляет собой металлическую трубу, имеющую круглое поперечное сечение с внешним диаметром D и длину не меньше 6D. металлическая труба включает участок высокой прочности и участки низкой прочности. Участок высокой прочности расположен вдоль всего периметра металлической трубы так, чтобы иметь протяженность, измеряемую в продольном направлении металлической трубы, которая составляет не меньше (2/3)D и не больше 3D. участок высокой прочности обладает пределом текучести не меньше 500 МПа (или прочностью при растяжении не меньше 980 МПа). участки низкой прочности расположены вдоль всего периметра металлической трубы так, что приспособлены для размещения между ними участка высокой прочности в продольном направлении металлической трубы. Участки низкой прочности обладают пределом текучести, составляющим 60-85% предела текучести участка высокой прочности.
Преимущества изобретения
[0008] Настоящее изобретение описывает металлическую трубу, которая при деформации в результате удара выступает в уменьшенной степени, и конструктивный элемент, использующий такую металлическую трубу.
Краткое описание чертежей
[0009] Фиг.1А показывает примерную конструкцию трубы круглого сечения с ее закрепленными обоими концами.
Фиг.1В показывает примерный характер деформации трубы круглого сечения, показанной на фиг.1А.
Фиг.1С показывает другой примерный характер деформации трубы круглого сечения, показанной на фиг.1А.
Фиг.2А представляет собой перспективный вид структуры металлической трубы 1 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2В представляет собой вид сбоку металлической трубы, показанной на фиг.2А, если смотреть в направлении y.
Фиг.2С представляет собой вид сбоку металлической трубы, показанной на фиг.2А, если смотреть в направлении х.
Фиг.3 показывает характер деформации металлической трубы при равномерном распределении прочности.
Фиг.4 показывает характер деформации металлической трубы, содержащей участки низкой прочности с размещенным между ними участком высокой прочности.
Фиг.5А представляет собой вид сбоку примерной изогнутой металлической трубы.
Фиг.5В представляет собой вид сбоку другой примерной изогнутой металлической трубы.
Фиг.5С представляет собой вид сбоку другой примерной изогнутой металлической трубы.
Фиг.5D представляет собой вид сбоку еще одной примерной изогнутой металлической трубы.
Фиг.6А показывает примерный конструктивный элемент, устанавливаемый на транспортном средстве.
Фиг.6В показывает примерное транспортное средство, включающее кузов транспортного средства с каркасной конструкцией.
Фиг.7 показывает примерное распределение предела текучести в участке, включающем границу между участком низкой прочности и участком высокой прочности.
Фиг.8А показывает аналитическую модель при имитационном моделировании.
Фиг.8В показывает аналитическую модель при другом имитационном моделировании.
Фиг.9А показывает результат имитационного моделирования деформации металлической трубы.
Фиг.9В показывает результат имитационного моделирования деформации другой металлической трубы.
Фиг.10 представляет собой график, показывающий результаты имитационного моделирования нагрузки и поглощаемой энергии.
Фиг.11 представляет собой график, показывающий результаты имитационного моделирования перемещения ударного устройства, обнаруженного при возникновении острого изгиба.
Фиг.12 представляет собой график, показывающий величину деформации, обусловленной деформацией изгиба, обнаруженной при приеме ударной нагрузки, при разных соотношениях прочности между участками низкой прочности и участком высокой прочности.
Варианты осуществления изобретения
[0010] Авторы изобретения исследовали характер поведения трубы круглого сечение, используемой в качестве конструктивного элемента для защиты от удара. Если трубу круглого сечения используют в качестве конструктивного элемента, то труба круглого сечения образует часть конструкции (например, транспортного средства, здания или емкости) с ее закрепленными обоими концами, например как показано на фиг.1А. Авторы изобретения изучили характер поведения трубы круглого сечения с закрепленными концами при ударе и обнаружили, что степень деформации, вызываемой ударом, может становиться значительной, когда длина трубы круглого сечения примерно в 6 и более раз превышает ее диаметр.
[0011] Например, когда удар приложен к середине (y1 на фиг.1А), определяемой вдоль продольного направления, трубы круглого сечения с ее закрепленными обоими концами, труба круглого сечения подвергается деформации и острому изгибу вскоре после удара (см. фиг.1В). Степень выступания данного скорого острого изгиба больше, чем степень выступания, связанного с деформацией, обнаруженной, когда удар приложен в положении (y2 на фиг.1А) между серединой трубы круглого сечения вдоль продольного направлении и одним закрепленным участком (см. фиг.1С). Анализ показал, что нагрузка момента является максимальной, когда удар приложен к середине, в продольном направлении, трубы круглого сечения с ее обоими закрепленными концами.
[0012] Авторы изобретения провели исследования для уменьшения степени деформации трубы круглого сечения, вызываемой ударом, посредством увеличения прочности трубы круглого сечения или оптимизации ее формы. Однако степень выступания, связанного с деформацией, не изменяется даже при увеличении прочности трубы круглого сечения. Кроме того, изменение формы трубы круглого сечения устраняет преимущества трубы круглого сечения: например, данная труба становится уже неэкономичной и утрачивает свое широкое применение. В связи с этим авторы изобретения провели дополнительные исследования для предотвращения острого сгибания посредством изменения распределения прочности в трубе круглого сечения.
[0013] Авторы изобретения тщательно исследовали прочность материала и распределение прочности в трубе круглого сечения и пришли к решению, в котором труба круглого сечения содержит участки низкой прочности с меньшей прочностью по сравнению с другими участками, при этом участки низкой прочности расположены в продольном направлении. То есть авторы изобретения пришли к решению, в котором участки низкой прочности с меньшей прочностью по сравнению с участком высокой прочности расположены вдоль всего периметра трубы круглого сечения так, что приспособлены для вставки между ними участка высокой прочности. Авторы изобретения обнаружили, что при таком решении нагрузка, полученная от удара, приложенного к участку высокой прочности, передается на участки низкой прочности, предотвращая деформацию острого изгиба. В дальнейшем, после дополнительных испытаний и ошибок, авторы изобретения обнаружили, что степень деформации, вызываемой ударом по участку высокой прочности, может быть эффективно уменьшена посредством оптимизации прочности участка высокой прочности, соотношения прочности участков низкой прочности и участка низкой прочности и продольного размера участка высокой прочности. На основе данных результатов исследований авторы изобретения получили трубу круглого сечения в соответствии с описанным ниже вариантом осуществления.
[0014] [Варианты осуществления]
Фиг.2А представляет собой перспективный вид структуры металлической трубы 1 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг.2В представляет собой вид сбоку металлической трубы 1, показанной на фиг.2А, если смотреть в продольном направлении (т.е. направлении y). Фиг.2С представляет собой вид сбоку металлической трубы 1, показанной на фиг.2А, если смотреть в направлении, перпендикулярном продольному направлению (т.е. направлении х).
[0015] Как показано на фиг.2А и 2В, металлическая труба 1 имеет круглое поперечное сечение с внешним диаметром D и длину LY, больше или равную 6D. Металлическая труба 1 включает участок 1А высокой прочности и участки 1В низкой прочности, между которыми размещается участок высокой прочности. Участок 1А высокой прочности и участки 1В низкой прочности расположены вдоль всего периметра металлической трубы 1. Как показано на фиг.2С, если измерять в продольном направлении металлической трубы 1 (т.е. направлении y), участок 1А высокой прочности имеет размер LA, который не меньше (2/3)D и не больше 3D ((2/3)D≤LA≤3D), где D - внешний диаметр. Расстояние между двумя участками 1В низкой прочности равно размеру LA участка 1А высокой прочности. Участок 1А высокой прочности обладает пределом текучести не меньше 500 МПа (или прочностью при растяжении не меньше 980 МПа). Предел текучести участков 1В низкой прочности составляет 60-85% предела текучести участка 1А высокой прочности. Аналогично, прочность при растяжении участков 1В низкой прочности составляет 60-85% предела прочности при растяжении участка 1А высокой прочности.
[0016] Предел текучести других участков, помимо участка 1А высокой прочности и участков 1В низкой прочности, т.е. участков 1С, расположенных продольно за пределами участков 1В низкой прочности, больше или равен пределу текучести участков 1В низкой прочности. Например, предел текучести участков 1С, расположенных продольно за пределами участков 1В низкой прочности, может быть равен пределу текучести участка 1А высокой прочности. В данной реализации участки 1В низкой прочности представляют собой участки с низким пределом текучести по сравнению с окружающими участками.
[0017] Размещение участков 1В низкой прочности с вставленным между ними участком 1А высокой прочности вдоль всего периметра, как показано на фиг.2А-2С, позволяет деформации, вызываемой ударной нагрузкой, распространяться на участки 1В низкой прочности, а не сосредоточиваться в участке 1А высокой прочности. Для того, чтобы добиться этого, необходимо выполнить следующие три требования. Во-первых, участок 1А высокой прочности должен обладать пределом текучести не меньше 500 МПа (прочностью при растяжении не меньше 980 МПа). Во-вторых, соотношение прочности участков 1В низкой прочности и участка 1А высокой прочности должно находиться в пределах 60-85%. В-третьих, размер LA участка 1А высокой прочности должен быть не меньше (2/3)D и не больше 3D, где D - внешний диаметр. Это позволит деформации, вызываемой нагрузкой, полученной от удара по участку 1А высокой прочности, быстро распространяться на участки 1В низкой прочности. Это предотвратит деформацию изгиба, вызываемую ударом по участку 1А высокой прочности.
[0018] Исследования, проведенные авторами изобретения, показали, что в удлиненной металлической трубе с длиной LY, равной 6D или более, такой как металлическая труба 1, поддерживаемая на двух закрепленных участках, разделенных в продольном направлении, момент изгиба, создаваемый в и около середины между двумя закрепленными участками металлической трубы, является максимальным, когда удар приложен в или около середины между двумя закрепленными участками. Исходя из данного результата исследования, участок 1А высокой прочности может быть расположен в или около середины между двумя закрепленными участками, а участки 1В низкой прочности могут быть приспособлены для размещения между ними участка 1А высокой прочности, чтобы предотвратить острый изгиб среднего участка металлической трубы 1 в результате удара. Когда удар приложен к точке на металлической трубе около закрепленного участка, нагрузка от момента изгиба не такая большая, как при ударе, приложенном к середине. Таким образом, когда удар приложен к точке, находящейся ближе к закрепленному участку, а не посередине между двумя закрепленными участками, вероятность острого изгиба металлической трубы будет меньше, чем когда удар при одинаковой прочности приложен посередине. Соответственно, важно распределение прочности в металлической трубе в и около середины между двумя закрепленными участками. Распределение прочности в металлической трубе около закрепленных участков менее важно, чем распределение прочности в и около середины между двумя закрепленными участками.
[0019] Фиг.3 показывает характер деформации металлической трубы 2, имеющей круглое поперечное сечение, при равномерном распределении прочности. Фиг.4 показывает характер деформации металлической трубы 1, которая включает участки 1В низкой прочности, показанные на фиг.2А-2С. Фиг.3 и 4 показывают характер деформации соответствующей металлической трубы, обнаруженной, когда индентор заставляли ударять по металлической трубе в направлении, перпендикулярном продольному направлению трубы. Фиг.3 и 4 показывают структуру стенки металлической трубы, если смотреть в направлении, перпендикулярном направлению удара индентора и продольному направлению металлической трубы.
[0020] Как показано на фиг.3, в металлической трубе 2 с равномерным распределением прочности удар может вызывать деформацию в точке Р инициирования деформации изгиба, которая проходит в форме клина, если смотреть сбоку. В результате труба сгибается так, что остро выступает в направлении изгиба (т.е. направлении удара). В некоторых случаях металлическая труба 2 может давать трещину.
[0021] Как показано на фиг.4, в металлической трубе 1, включающей участки 1В низкой прочности (отмеченные точками на фиг.4), между которыми расположен участок 1А высокой прочности, деформация, проходящая внутрь от точки Р инициирования информации изгиба на участке 1А высокой прочности, достигая границы между участком 1А высокой прочности и участком 1В низкой прочности, по всей вероятности, будет проходить в горизонтальном направлении (т.е. продольном направлении металлической трубы 1), которое обеспечивает относительно низкую прочность. Соответственно, деформация расширяется в продольном направлении, и степень деформации в направлении сгиба (т.е. направлении удара) мала.
[0022] Характеры деформации, показанные на фиг.3 и 4, не ограничены случаями, когда индентор заставляли ударять по металлической трубе. Аналогичные характеры деформации могут быть получены, когда, например, металлическая труба сгибается под действием осевого усилия, которое сжимает металлическую трубу в продольном направлении, или когда металлическая труба сгибается, когда индентор прижимают к трубе, прикладывая статическое усилие в направлении, перпендикулярном продольному направлению, как в испытании на трехточечный изгиб.
[0023] В металлической трубе 1, показанной на фиг.2А-2С, размер LA участка 1А высокой прочности предпочтительно не меньше (2/3)D и не больше (4/3)D, где D - внешний диаметр. Это дополнительно уменьшит степень выступания, вызываемого ударом по участку 1А высокой прочности.
[0024] Продольный размер LB каждого участка 1В низкой прочности предпочтительно не меньше (3/5)D. Это дополнительно уменьшит степень деформации, вызываемой ударом по участку 1А высокой прочности. Для того чтобы обеспечить определенную прочность металлической трубы 1, размер LB каждого участка 1В низкой прочности, например, предпочтительно не больше 2D и более предпочтительно не больше D.
[0025] Размер LA участка 1А высокой прочности и размер LB участков 1В низкой прочности относительно диаметра D не ограничен выше соотношениями, т.е. случаями, в которых строго соблюдаются соотношения ((2/3)D≤LA≤3D), или более предпочтительно ((2/3)D≤LA≤(4/3)D) или ((3/5)D≤LB). Предусмотрены также случаи с погрешностями, которые позволяют принимать размеры, удовлетворяющие вышеупомянутым соотношениям. Кроме того, в реализации, показанной на фиг.2, граница между участком 1В низкой прочности и участком 1А высокой прочности проходит вдоль линии, перпендикулярной продольному направлению металлической трубы. Граница между участком низкой прочности и участком высокой прочности не ограничена данной реализацией. Например, граница между участком низкой прочности и участком высокой прочности быть не перпендикулярной продольному направлению металлической трубы, а изгибаться. В таких реализациях предполагается, что граница между участком низкой прочности и участком высокой прочности расположена посредине между положением на изгибающейся границе, которое наиболее продвинуто в участок низкой прочности, и положением, которое наиболее продвинуто в участок высокой прочности. Если поперечное сечение металлической трубы эллиптическое, то приемлемым является соотношение между большой и малой осями не больше 1,5. В трубе с эллиптическим сечением диаметр, измеряемый в направлении, в котором принимается удар, считается внешним диаметром D. Например, если труба используется в качестве элемента рамы автомобиля, то диаметр, измеряемый в направлении снаружи внутрь кузова транспортного средства, считается внешним диаметром D. Если металлическая труба эллиптическая и закрученная, то длина малой оси считается равной внешнему диаметру D.
[0026] Участок 1А высокой прочности предпочтительно расположен в середине металлической трубы 1, определяемой вдоль продольного направления. То есть по меньшей мере часть участка 1А высокой прочности предпочтительно расположена в середине металлической трубы 1, определяемой вдоль продольного направления. Другими словами, средний участок металлической трубы 1, определяемый вдоль продольного направления, предпочтительно образует участок 1А высокой прочности. Это предотвратит острый изгиб в результате удара по середине металлической трубы 1. Например, в металлической трубе 1 с ее обоими закрепленными концами, эффективно предотвращена деформация острого изгиба в середине, в которой создается максимальный момент, связанный с ударом.
[0027] В реализации, показанной на фиг.2А, металлическая труба 1 продолжается прямо в продольном направлении. В качестве альтернативы, металлическая труба 1 может быть изогнутой вдоль продольного направления. Например, металлическая труба 1 может быть изогнутой так, чтобы быть выпуклой в направлении, перпендикулярном продольном направлению.
[0028] Фиг.5А-5D представляют собой виды сбоку примерных реализаций металлической трубы 1, которые являются изогнутыми вдоль продольного направления. В реализациях, показанных на фиг.5А-5D, металлическая труба 1 изогнута так, чтобы быть выпуклой в направлении, перпендикулярном продольному направлению. На фиг.5А, металлическая труба 1 изогнута с постоянной кривизной по всей длине. На фиг.5В и 5С кривизна изменяется в зависимости от положения, определяемого вдоль продольного направления металлической трубы 1. На фиг.5D, продольный разрез металлической трубы 1 является изогнутым. В реализациях, показанных на фиг.5А и 5D, металлическая труба 1 изогнута так, чтобы быть симметричной слева направо, если смотреть в направлении, перпендикулярном продольному направлению слева направо. На фиг.5В, 5С и 5D металлическая труба 1 включает участок, который является изогнутым (т.е. изогнутый участок) и участок, проходящий вдоль прямой линии (т.е. прямолинейный участок). В реализации, показанной на фиг.5С, изогнутые участки расположены на обоих концах прямолинейного участка, определяемых вдоль продольного направления. То есть прямолинейный участок расположен между изогнутыми участками. В реализации, показанной на фиг.5D, прямолинейные участки расположены на обоих концах криволинейного участка, определяемых вдоль продольного направления.
[0029] Изгибание металлической трубы 1 так, чтобы быть выпуклой в направлении, перпендикулярном продольному направлению, как было указано выше, улучшает ударную прочность к удару в направлении, противоположном направлению выпуклости изгиба. Например, конструктивный элемент, включающий изогнутую металлическую трубу 1 с ее обоими закрепленными концами, обладает высокой ударной прочностью к удару в направлении, противоположном направлению выпуклости изгиба.
[0030] В реализациях, показанных на фиг.5А и 5D, два участка 1В низкой прочности и участок высокой прочности между ними расположены в изогнутой части металлической трубы 1. В реализациях, показанных на фиг.5В и 5С, два участка 1В низкой прочности и участок 1А высокой прочности между ними расположены в прямолинейной части металлической трубы 1. Когда участки 1В низкой прочности и участок 1А высокой прочности расположены в прямолинейной части, участок 1А высокой прочности может быть расположен, например, в середине прямолинейной части. Таким образом, участок 1А высокой прочности расположен в той части, где высокий момент обусловлен принимаемым ударом.
[0031] [Применения в качестве конструктивных элементов или в транспортных средствах]
Вышеописанная металлическая труба 1 может быть использована в качестве конструктивного элемента. В таких случаях, например, конструктивный элемент образуется посредством металлической трубы 1 с двумя закрепленными положениями, которые разделены в продольном направлении металлической трубы 1. В таких случаях металлическая труба 1 содержит два патрубка, которые представляют собой участки, которые должны быть соединены с другим элементом. Металлическая труба 1 удерживается посредством другого элемента на данных патрубках. патрубки могут также называться закрепленными участками. Посредством патрубков металлическую трубу 1 прикрепляют к другому элементу. То есть посредством патрубков металлическую трубу соединяют с другим элементом так, чтобы они были неподвижными относительно друг друга. Патрубки металлической трубы 1 соединяют с другим элементом, например, посредством крепежных элементов или посредством сварки. Может быть предусмотрено три или более патрубков.
[0032] два патрубка расположены так, чтобы находиться на расстоянии 6D или более в продольном направлении металлической трубы 1. Если расстояние между патрубками меньше 6D, то металлическая труба вряд ли будет остро изгибаться, даже если не принимать специальных мер, что означает, что изобретение не очень эффективно.
[0033] Например, если металлическую трубу 1 используют в качестве конструктивного элемента транспортного средства, то металлическую трубу 1 размещают посредством двух патрубков, разделенных в продольном направлении металлической трубы 1, и при сохраненном данном положении прикрепляют к транспортному средству. Например, металлическая труба 1 может служить в качестве конструктивного элемента в кузове транспортного средства, бампере или двери транспортного средства. Таким образом, транспортное средство, бампер или дверь транспортного средства, включающая металлическую трубу 1, включена в варианты осуществления настоящего изобретения.
[0034] В конструктивном элементе, включающем металлическую трубу 1, размещенную на патрубках, два участка 1В низкой прочности и участок 1А высокой прочности между ними расположены между двумя патрубками. Это предотвращает острый изгиб тех участков металлической трубы 1, где при приложении удара создается большой момент. Это обеспечит конструктивный элемент высокой ударной прочностью.
[0035] Например, участок 1А высокой прочности равноудален от двух патрубков (т.е. расположен посредине между двумя патрубками). Например, конструктивный элемент, включающий металлическую трубу 1, содержащую участок 1А высокой прочности, расположенный посредине вдоль продольного направления, с ее обоими закрепленными концами. Используемое в данном документе словосочетание «оба конца» означает оба конца металлической трубы 1 и участки около них.
[0036] Если металлическую трубу 1 устанавливают на транспортном средстве, то металлическую трубу 1 предпочтительно размещают так, что продольный профиль металлической трубы 1 проходит вдоль внешней формы транспортного средства. То есть металлическую трубу 1 устанавливают так, что удар, полученный в результате столкновения транспортного средства, действует в направлении, перпендикулярном продольному направлению металлической трубы 1. Участок 1А высокой прочности расположен в середине металлической трубы 1, определяемой вдоль продольного направления, а участки 1В низкой прочности расположены так, чтобы размещать его между ними. Соответственно, когда металлическая труба 1 принимает удар в ее середине с внешней стороны транспортного средства, металлическая труба 1 выступает внутрь транспортного средства в меньшей степени. Это дополнительно уменьшает возможность контакта металлической трубы 1 с устройством или человеком в транспортном средстве. Например, при аварии предотвращается острый изгиб металлической трубы 1 к внутренней части пассажирского салона. Это дополнительно улучшает безопасность.
[0037] Металлическая труба 1 может быть изогнутой, как указано выше. Например, металлическая труба предпочтительно установлена на транспортном средстве так, чтобы быть выпуклой к внешней стороне транспортного средства. В таких реализациях металлическая труба 1 изогнута так, чтобы быть выпуклой к внешней стороне транспортного средства. Таким образом, когда металлическая труба 1 принимает удар с внешней стороны транспортного средства, менее вероятно, что труба будет подвергаться острому изгибу.
[0038] Металлическая труба 1 может служить в качестве конструктивного элемента, образующего часть кузова транспортного средства, бампера или двери транспортного средства. Например, металлическая труба 1 может быть использована в элементе, образующем часть кузова транспортного средства, таком как передняя стойка кузова, центральная стойка кузова, боковой обвязочный брус, продольный брус крыши кузова, элемент пола и передний боковой элемент. В качестве альтернативы, металлическая труба 1 может быть использована в элементе, устанавливаемом на кузове транспортного средства, таком как ударная планка двери или бампер.
[0039] Фиг.6А показывает примерный конструктивный элемент, устанавливаемый на транспортном средстве, которое использует монококовую конструкцию. В реализации, показанной на фиг.6А, в качестве конструктивных элементов транспортного средства используются передняя стойка 15 кузова, центральная стойка 16 кузова, боковой обвязочный брус 17, продольный брус 18 крыши кузова, бампер 19, боковой элемент 20 пола, ударная планка 21 двери, элемент 22 пола и задний боковой элемент 23. По меньшей мере один из этих конструктивных элементов транспортного средства может быть образован посредством вышеописанной металлической трубы 1.
[0040] Если бампер 19 образован посредством металлической трубы 1, то металлическая труба 1 выполнена так, что оба ее конца поддерживаются посредством переднего бокового элемента 20. В такой конструкции момент от нагрузки будет максимальным, когда удар приложен к середине бампера 29. Участок 1А высокой прочности расположен в середине бампера 19, которая определяется вдоль его направления слева направо, а участки 1В низкой прочности расположены так, чтобы вставлять его между ними. Это будет предотвращать острый изгиб бампера 19 в результате удара посередине бампера.
[0041] Если ударная планка 21 двери образована посредством металлической трубы 1, то на обоих концах металлической трубы 1 предусмотрены кронштейны, которые используют для закрепления трубы. Вместо кронштейнов может быть использована сварка. Металлическую трубу 1 закрепляют на дверной раме при помощи кронштейнов на обоих концах. В любом случае участок 1А высокой прочности расположен в середине металлической трубы 1, чтобы предотвращать острый изгиб тех участков, где при приеме удара создается наибольший момент.
[0042] Металлическая труба 1 может применяться не только в транспортных средствах, использующих монококовую конструкцию, но и в транспортных средствах, использующих каркасную конструкцию. Фиг.6В показывает транспортное средство, включающее кузова транспортного средства с каркасной конструкцией, раскрытый в JP 2011-37313A. Кузов транспортного средства с каркасной конструкцией включает множество труб 31 и узлов 32, связывающих трубы 31. Трубы 31 расположены внутри каркаса 30 кузова, который закрывает внешнюю часть кузова транспортного средства. Трубы 31 включают трубы, проходящие в направлении сверху вниз, трубы, проходящие в направлении спереди назад, и трубы, проходящие в направлении слева направо. По меньшей мере некоторые из труб 31 могут быть образованы посредством вышеописанной металлической трубы 1. Применение вышеописанной металлической трубы 1 в качестве трубы (или трубки), образующей часть транспортного средства с каркасной конструкцией, является эффективным, поскольку данную трубу невозможно согнуть глубоко внутрь кузова транспортного средства, в котором находится пассажир или двигатель.
[0043] Вышеописанные эффекты являются значительными, когда металлическая труба 1, образующая конструктивный элемент транспортного средства, выполнена и сверхвысокопрочной стали с прочностью при растяжении (т.е. прочностью при растяжении других участков, помимо участков 1В низкой прочности) не меньше 780 МПа (или пределом текучести не меньше 400 МПа). эффекты будут еще более значительными, когда другие участки металлической трубы 1, помимо участков 1В низкой прочности, обладают прочностью, характеризующейся прочностью при растяжении не меньше 980 МПа (или пределом текучести не меньше 500 МПа).
[0044] Металлическая труба 1 может быть использована в качестве различных конструктивных элементов транспортного средства и не ограничена четырехколесными транспортными средствами, такими как автомобиль, показанный на фиг.6, и может быть также использована, например, в качестве конструктивного элемента двухколесного транспортного средства. Применения конструктивного элемента, образованного посредством металлической трубы 1, не ограничены транспортными средствами. Например, металлическая труба 1 может быть использована в качестве конструктивного элемента ударопрочной емкости, здания, водного судна, летательного аппарата или т.п.
[0045] Способы использования металлической трубы 1 в качестве конструктивного элемента не ограничены реализациями, к которых оба конца металлической трубы 1 соединены с другим элементом. Другой элемент может быть соединен с произвольными двумя положениями на металлической трубе 1, которые находятся на расстоянии 6D или более в продольном направлении. То есть два патрубка могут быть расположены в произвольных положениях на металлической трубе 1, которые не ограничены обоими концами трубы.
[0046] [Технология изготовления]
Металлическая труба 1 может быть образована целиком из одного материала. Например, металлическая труба 1 может быть образована из стальной пластины. Например, одна стальная труба 1 может быть свернута, и один край стальной пластины может быть соединен с противоположным краем, например, посредством сварки, чтобы образовать трубчатый конструктивный элемент с круглым поперечным сечением (т.е. трубу круглого сечения). В качестве альтернативы, сплошной стержень может быть просверлен так, чтобы образовать осевое отверстие для образования металлической трубы 1. Если, например, труба круглого сечения должна быть изогнутой, то могут быть использованы технологии гибки, такие как гибка под прессом, гибка с растяжением, гибка сжатием, гибка в вальцах, технология MOS (Murata Ohashi Suzuki) bending или eccentric plug bending.
[0047] Технология изготовления металлической трубы 1 включает этап образования участков низкой прочности в материале. Способ образования участков низкой прочности не ограничен каким-либо конкретным способом. Например, материал может подвергаться локальному нагреву и закалке таким способом, как лазерный способ или высокочастотное нагревание, для образования металлической трубы 1, включающей упрочненные участки. В таких случаях, участки, которые не подвергаются закалке, образуют участки никой прочности с относительно низкой прочностью. В качестве альтернативы, можно использовать термическое улучшение для упрочнения всей трубы круглого сечения, которая затем подвергается локальному разупрочнению для образования участков низкой прочности.
[0048] В качестве альтернативы, трубчатый элемент можно перемещать в аксиальном направлении для постепенного осуществления этапов нагревания, обеспечивающих момент изгиба, и охлаждения, чтобы получить металлическую трубу 1, изогнутую вдоль продольного направления. При данном способе катушку индукционного нагрева размещают вокруг трубчатого элемента, который подвергают локальному нагреву до температур, которые позволяют осуществлять пластическую деформацию. Нагреваемый участок перемещают в направлении трубы и, при поддержании данного участка горячим, подвижное зажимное средство, такое как подвижная роликовая волока, расположенное на трубчатом элементе позади по ходу от катушки индукционного нагрева, перемещают так, чтобы создавать момент изгиба. Участок, подвергнутый гибке таким образом, охлаждают посредством охлаждающего устройства, расположенного между катушкой индукционного нагрева и подвижным зажимным средством. Во время данного процесса, например, условия для нагрева и охлаждения могут изменяться на периферии трубчатого элемента для образования участков низкой прочности в трубчатом элементе.
[0049] Металлическую трубу 1 можно изготавливать другими способами. Для образования металлической трубы 1 с участками низкой прочности можно использовать специально изготовленную заготовку или другие известные способы. При использовании специально изготовленной заготовки, настоящее изобретение может быть использован в трубе из других металлов, помимо стали, таких как алюминий.
[0050] В вышеописанной металлической трубе 1, распределение предела текучести в участке 1А высокой прочности может быть неравномерным. В установившейся области, отклонение в пределе текучести обычно находится в пределах±10%. Величина, составляющая 90% максимума, Smax, предела текучести в участке 1А высокой прочности, определяет предел текучести (или базовую прочность) SA участка 1А высокой прочности (SA=0,9Smax). Предполагается, что область пределов текучести больше 0,85 SA и меньше 0,9SA (т.е. 85%-90% SA) (переходная область) является частью участка 1А высокой прочности. Предел текучести в участке 1А высокой прочности больше, чем 0,85 SA (т.е. составляет 85% SA). То есть область пределов текучести больше, чем 0,85 SA, характеризует участок 1А высокой прочности.
[0051] Фиг.7 показывает пример распределения предела текучести в участке трубы, включающем границу между участком низкой прочности и участком высокой прочности. На фиг.7 продольная ось характеризует предел текучести, а горизонтальная ось характеризует положение по оси y. В примере, показанном на фиг.7, величина, составляющая 90% максимума Smax предела текучести в участке высокой прочности (0,9 Smax), определяет предел текучести SA участка высокой прочности. В участке высокой прочности, область пределов текучести не меньше 0,9 SA называется постоянной областью. Кроме того, область пределов текучести больше 0,85 SA и меньше 0,9 SA является переходной областью, которая расположена между участком низкой прочности и постоянной областью участка высокой прочности. Предполагается, что переходная область является частью участка высокой прочности. То есть предел текучести 0,85 SA характеризует границу между участком низкой прочности и участком высокой прочности. То есть область пределов текучести больше 0,85 SA образует участок высокой прочности, а область пределов текучести не больше 0,85 SA образует участок низкой прочности.
[0052] Предел текучести участка низкой прочности составляет не меньше 0,6 SA и не больше 0,85 SA (60-85% SA). Даже если металлическая труба 1 включает некоторые участки, окруженные участком низкой прочности и обладающие прочностью не больше 0,6 SA, предполагается, что они являются частью участка низкой прочности, если они достаточно малы, так что их влияние на характер деформации металлической трубы 1 пренебрежимо мало.
Примеры
[0053] В данных примерах использовали имитационное моделирование для анализа деформации металлических труб с круглым поперечным сечением, возникающей когда индентор заставляли ударять по металлическим трубам. Фиг.8А показывает конфигурацию аналитической модели при имитационном моделировании. В данном имитационном моделировании, металлическая труба 10 была размещена на двух стойках 3 так, чтобы проходить над и между ними, и, при сохраненном таком положении, индентор (ударное устройство) заставляли ударять по середине металлической трубы 10, определяемой вдоль ее продольного направления, и проводили анализ характера деформации. Масса индентора 4 была равна 350 кг; ширина WI индентора 4, измеряемая в направлении y, была равна 160 мм; радиус кривизны R ударной поверхности 4s индентора 4 был равен 150 мм; и первоначальная скорость индентора 4 была равна 4 м/с. Коэффициент трения был равен 0,1. Металлическая труба 10 имела поперечное сечение круглой формы. Внешний диаметр D металлической трубы 10 был равен 50 мм; толщина пластины металлической трубы 10 была равна 1,4 мм; и длина LY металлической трубы 10 была равна 1000 мм. Расстояние LS между стойками 3 было равно 400 мм.
[0054] Фиг.8В показывает конфигурацию другой аналитической модели при имитационном моделировании. В примере, показанном на фиг.8В, оба конца металлической трубы 10 были соединены с двумя стойками 3. Результаты имитационного моделирования аналитической модели, показанной на фиг.8В, были аналогичны результатам имитационного моделирования аналитической модели, показанной на фиг.8А.
2
2
[0055] Имитационное моделирование удара проводили, когда предел текучести участков 10В низкой прочности был равен 100 кгс/мм, а предел текучести других участков, включая участок 10А высокой прочности, был равен 120 кгс/мм (соотношение прочности между участком 10А высокой прочности и участками 10В низкой прочности было равно примерно 0,83), при разных размерах LA участка 10А высокой прочности и разных размерах LB участков 10В низкой прочности.
[0056] Фиг.9А и 9В показывают результаты имитационного моделирования деформации металлической трубы 10, возникающей когда величина внедрения индентора 4 была равна 40 мм. Фиг.9А показывает, как может деформироваться металлическая труба 10, когда размер LA участка 10А высокой прочности между участками 10В низкой прочности был равен внешнему диаметру D металлической трубы 10 (LA=D). Фиг.9В показывает, как может деформироваться металлическая труба 10 при отсутствии участка 10В низкой прочности (LA=LB=0).
[0057] Результат, показанный на фиг.9А, свидетельствует о том, что стенки металлической трубы 10 подвергаются сжатию и смятию посредством индентора 4, т.е. возникает тип деформации, называемый «смятием поперечного сечения». В результате, показанном на фиг.9А, поверхность металлической трубы 10 деформируется вдоль формы ударной поверхности 4s ударного устройства 4. В результате, показанном на фиг.9В, стенки металлической трубы 10 сгибаются так, чтобы остро выступать, обнаруживая тип деформации, называемый «острым изгибом». В результате, показанном на фиг.9В, поверхность трубы сгибается настолько остро, что отделяется от ударной поверхности 4s ударного устройства 4. Данные результаты имитационного моделирования показывают, что при условии LA=D острый изгиб не возникает, когда величина внедрения индентора 4 равна 40 мм, обеспечивающем приемлемый характер деформации.
2
2
[0058] Приведенная ниже Таблица 1 показывает величины деформации, полученные из результатов имитационного моделирования, в котором вышеупомянутое соотношение прочности было равно 0,83 (при пределе текучести YP участков 10В низкой прочности, равном 100 кгс/мм, и пределе текучести YP других участков, включая участок 10А высокой прочности, равном 120 кгс/мм) при разных размерах LA участков 10А высокой прочности и разных толщинах пластины металлической трубы 10. «Вполне приемлемый» в столбце, озаглавленном «Характер деформации», означает вполне приемлемый характер. «Приемлемый» означает приемлемый характер, и «Неприемлемый» означает неприемлемый характер. Эти оценки характера деформации проводили на основе величины внедрения индентора, обнаруженного при возникновении острого изгиба. Величина внедрения индентора может также называться ходом ударного устройства или перемещением индентора.
[0059] Таблица 1
Случай
LA
t(мм)
Характер деформации
1
0
1,4
Неприемлемый
2
2D/3
1,4
Вполне приемлемый
3
D
1,4
Вполне приемлемый
4
4D/3
1,4
Вполне приемлемый
5
2D
1,4
Приемлемый
6
8D/3
1,4
Приемлемый
7
3D
1,4
Приемлемый
8
10D/3
1,4
Неприемлемый
9
4D
1,4
Неприемлемый
10
2D
1,0
Приемлемый
11(=5)
2D
1,4
Приемлемый
12
2D
1,8
Приемлемый
[0060] Фиг.10 показывает результаты имитационного моделирования нагрузки, приложенной к, и энергии, поглощаемой металлической трубой 10 при условиях, соответствующих 1-му случаю, 3-му случаю и 6-му случаю, показанных в Таблице 1. На фиг.10 горизонтальная ось показывает ход, т.е. величину внедрения (мм) индентора 4, а вертикальная ось показывает нагрузку (кН) и поглощаемую энергию (Дж). Сплошная линия К1 показывает взаимосвязь между нагрузкой и ходом для 1-го случая (LA=0). Сплошная линия К3 показывает взаимосвязь между нагрузкой и ходом для 3-го случая (LA=D). Сплошная линия К6 показывает взяимосвязь между нагрузкой и ходом для 6-го случая (LA=8D/3). Пунктирная линия Е1 показывает поглощаемую энергию для 1-го случая. Пунктирная линия Е3 показывает поглощаемую энергию для 3-го случая. Пунктирная линия Е6 показывает поглощаемую энергию для 6-го случая.
[0061] В 6-м случае возникновение деформации типа острого изгиба менее вероятно, чем в 1-м случае, и нагрузка сохраняется на высоких уровнях. В результате поглощаемая энергия для 6-го случая лучше, чем для 1-го случая. В 3-м случае возникновение деформации типа острого изгиба еще менее вероятно, чем в 1-м и 6-м случаях, таким образом достигается очень высокая поглощаемая энергия.
[0062] Фиг.11 представляет собой график, показывающий результаты имитационного моделирования хода ударного устройства во время острого изгиба для 1-12-го случаев в Таблице 1. В результатах, показанных на фиг.11, ход ударного устройства во время острого изгиба в 2-7-м случаях больше, чем в 1-м случае, т.е. когда участки 10В низкой прочности не предусмотрены. Это показывает, что возникновение острого изгиба в 2-7-м и 10-12-м случаях менее вероятно, чем когда участки 10В низкой прочности не предусмотрены. Кроме того, в 2-4-м случаях ход ударного устройства во время острого изгиба значительно больше. Это показывает, что возникновение острого изгиба в 2-4-м случаях очень маловероятно.
2
2
[0063] Имитационное моделирование удара проводили при разных соотношениях между прочностью участков 10В низкой прочности и прочностью других участков, включая участок 10А высокой прочности. Фиг.12 представляет собой график, показывающий величину деформации, связанной с деформацией изгиба, обнаруженную, когда ударные нагрузки принимались при разных соотношениях прочности между участком 10В низкой прочности и другими участками, включая участок 10А высокой прочности. На фиг.12 вертикальная ось показывает величину внедрения в (или величину выступания) металлическую трубу 10, измеряемую в направлении удара (направлении z). Горизонтальная ось показывает отношение прочности участков 10В низкой прочности к прочности участка 10А низкой прочности (отношение прочности=прочность участков низкой прочности/прочность участка высокой прочности). В графике, показанном на фиг.12, ромбиками показаны результаты, полученные когда предел текучести YS участка высокой прочности был равен 120 кгс/мм, а прямоугольниками показаны результаты, полученные когда предел текучести YS участка высокой прочности был равен 145 кгс/мм
[0064] В области с отношением прочности в пределах 0,60-0,85 с увеличением соотношения прочности величина внедрения уменьшается (стрелка Y1). В этой области тип деформации металлической трубы 10 представлял собой смятие поперечного сечения. В пределах этой области, когда прочность участков 10В низкой прочности была мала (соотношение прочности было не больше 0,60), деформация представляла собой смятие поперечного сечения, но с большой величиной внедрения, по существу равной величинам внедрения для соотношений прочности 0,85 или выше. Когда соотношение прочности превышало 0,85, величина внедрения быстро увеличивалась (стрелка Y2). Кроме того, в области с соотношением прочности 0,85 и выше с увеличением соотношения прочности величина внедрения увеличивалась (стрелка Y3). Это, по всей вероятности, объясняется тем, что при пограничном соотношении прочности, равном 0,85, тип деформации переходил от смятия поперечного сечения к острому изгибу. Таким образом, когда прочность участков 10В низкой прочности была слишком большой (т.е. соотношение прочности было высоким), труба деформировалась с острым изгибом, приводящим в результате к большим величинам внедрения. Результаты, показанные на фиг.12, подтверждают, что для уменьшения величины внедрения, связанного с острым изгибом, вызываемым ударом, соотношение прочности предпочтительно находится в пределах 60-85% и более предпочтительно в пределах 70-85%.
[0065] Хотя описан один вариант осуществления настоящего изобретения, вышеописанный вариант осуществления является только примером осуществления изобретения. Следовательно, настоящее изобретение не ограничено вышеописанным вариантом осуществления, и вариант осуществления может быть соответствующим образом модифицирован без отхода от сущности изобретения.
[0066] Форма поперечного сечения металлической трубы 1 не ограничена идеальной окружностью. Форма поперечного сечения металлической трубы 1 может представлять собой плоский эллипс, который может считаться в широком смысле круглым. Кроме того, часть внешней периферии поперечного сечения металлической трубы 1 может представлять собой не дугу, а прямую линию. Металлическая труба настоящего изобретения может быть соответственно использоваться в различных областях в виде стальной трубы; однако металлическая труба не ограничена стальной трубой и может представлять собой алюминиевую трубу или другие металлические трубы.
Перечень ссылочных позиций
[0067] 1: металлическая труба
1А: участок высокой прочности
1В: участки низкой прочности