客車鋁蜂窩地板的專利挖掘

婁松林

摘要：針對現有的客車鋁蜂窩地地板不能很好地兼顧局部強度和整體輕量化的技術問題，本文通過大數據的瀏覽和針對性的輔助檢索對蜂窩板的前沿技術進行梳理，并基于面向技術創新的專利挖掘策略，從蜂窩結構、成型方法等角度提出幾點專利挖掘建議，為現代客車鋁蜂窩地板的應用和進一步推廣提供理論依據和技術支持。

1 客車鋁蜂窩地板

蜂窩結構的基本原理就是工字梁的原理，但是工字梁屬于開口薄壁截面梁，若外力作用面稍微偏離橫截面的彎曲中心，就會引起嚴重的扭轉破壞。為了提高抗扭剛度，又不增加質量，設想用多孔的夾芯代替工字梁的腹板，做成蜂窩形狀的夾芯結構。因此，鋁蜂窩結構實際上就是分散腹板的工字梁。隨著汽車的發展和提速要求，鋁蜂窩結構在高擋車、快速車、動車組及城軌車上得以廣泛應用[1]，針對客車地板的力學要求對鋁蜂窩復合材料的性能進行研究，是一個具有前瞻性的研究課題。

1.1鋁蜂窩地板現有技術的檢索

為保證客車鋁蜂窩地板現有技術的檢的準確性和全面性，首先以國內外大型蜂窩板的制造商和供應商為檢索入口，對現有交通工具鋁蜂窩地板的結構工藝進行大數據瀏覽；再借助國家知識產權局專業的數據庫檢索現有交通工具的鋁蜂窩地板專利申請和前沿技術進行有針對性的輔助檢索。

1）輔助檢索涉及的主要分類號如表1-1所示。

2）檢索涉及的中英文關鍵詞

中文關鍵詞：地板，蜂窩，隔音，隔熱，輕質，強度

英文關鍵詞：chassis，floor？，frame？，cellular，deafening，soundproof.

1.2鋁蜂窩地板技術分解

鋁蜂窩地板通常是由兩塊較薄表層鋁板粘結在中間較厚的蜂窩狀夾芯兩面而制成的板材，具有隔音、隔熱、環保等優良性能。根據蜂窩板的核心技術要素進行技術分解，確定若干個核心的技術特征（如表1-2所示）。

2 客車鋁蜂窩地板專利技術挖掘

在充分考慮客車地板在行駛過程中會頻繁受到交變載荷的作用和沖擊等實際工況的基礎上，本文采用“面向技術創新的專利挖掘策略”，擬提供一種基于拓撲優化全局密度映射的非均勻鋁蜂窩結構，在實現客車地板輕量化的同時，有效提高其局部強度，并圍繞其窩芯結構、加工方法等方面進行針對性的技術挖掘。

2.1面向技術創新的專利挖掘策略

從技術學的角度看，一項技術的發展主要有三個方向：

1）技術的縱向發展

一項技術的水平總是相對于某一時間而言的，技術的發展總是向其極限技術方向發展，比如液晶顯示器屏幕清晰度的不斷提升，使用壽命的不斷延長等。當一項技術達到某一極限時又有新的替代技術產生，比如現在液晶電視屏幕逐漸取代了傳統的電視屏幕。

2）技術的應用方向

一項技術總是由已知領域向未知的應用領域滲透，不斷地開發出技術的新用途。比如，有的藥物本是用于艾滋病的，結果后來發現有助于治療其他疾病。

3）相關技術與材料的發展

一項技術不是孤立地發展，而是處于一個相關技術群中，技術與技術之間有著廣泛的橫向聯系。一項技術的發展需要相應的工藝、制造技術和材料技術的支持，相關技術的發展會推動主導技術的發展。

2.2基于“非均勻分布型蜂窩的地板”的專利挖掘

非均勻分布的蜂窩地板，這種設計策略的發展很大程度是基于人們對自然結構的認識，蜂窩的非均勻分布會為結構的性能，尤其是多功能性能帶來好處。由于非均勻分布型蜂窩地板的設計結果給制造工藝提出很大挑戰，現階段基于蜂窩地板設計還停留在理論和試驗研究階段[2]。隨著拓撲優化技術和參數化設計逐漸被更多人認識和掌握，這種非均勻分布型的蜂窩設計一定會引起更多企業的重視和發展，而且不能排除其未來在客車產業中的應用前景，可提前進行專利布局。

1）一種輕量化-高強度的客車蜂窩地板

該創新建議的構思是：根據客車蜂窩地板的實際的承載狀況，改變蜂窩密度的分布或孔徑的大小。例如，增大座椅安裝區域、過道等承載區域的蜂窩密度，以提高該區域的抗剪切強度；減小非承重區域的蜂窩密度，以實現節約材料和輕量化的目的，最終獲得一種結構功能優化的客車蜂窩地板。

2）一種基于ANSYS的客車蜂窩地板的加工方法

通過ANSYS有限元分析及仿真等分析軟件對傳統客車蜂窩地板的承載區（座椅安裝區域、過道等）和非承載區與進行應變、應力分析，最后依據分析結果，將蜂窩的密度分布或孔徑大小精準地映射到客車地板上，從而獲得上述的集輕量化和高強度于一身的客車蜂窩地板。

3）一種基于參數化技術的客車蜂窩地板的加工方法

Grasshopper是一種參數化設計軟件，其采用簡單的節點式可視化數據操作，具有動態顯示參數調整的成果表達[3]。它為密度不均勻的蜂窩在客車地板的設計領域中的應用做鋪墊。基于參數化技術以及拓撲優化技術，結合現有的光化、燒結、沉積、雕刻等相關加工工藝，可以實現對密度不均勻的客車蜂窩地板的蜂窩密度分布進行設置。

4）一種基于密度不均勻的客車蜂窩地板的加工工藝

密度不均勻分布型蜂窩地板屬于異型材，給制造工藝提出很大挑戰，建議企業基于設計結果，配合現有的光化、燒結、沉積、雕刻等加工工藝進行創新型研究，以實現這種非均勻分布型蜂窩的地板的加工。

參考文獻：

[1]李先付，林森林.鋁蜂窩技術及其在鐵路客車上的應用[J].世界軌道交通，2005（3）：15-18.

[2]邢昊，拓撲優化密度映射的非均勻蜂窩結構設計方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2017（4），734-741.

[3]戴欣偉，基于Grasshopper的參數化設計在產品設計中的應用探索[J].設計，2016年（11），122-123.