CN103252930A - 一种具非贯通式空腔分布的中空型轻质仿生结构板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中间为非贯通式空腔的中空型仿生结构板，从上到下依次由上面板、中间空腔夹芯层和下面板组成，所述中间空腔夹芯层内部分布有大量的空腔，所述空腔相互之间不贯通，且所述各空腔的中心连线呈正多边形排列，所述任意相邻的两个空腔之间分布一个圆柱形空腔。 具有较大的占空比，在实现材料轻质化的同时能够满足材料强度等力学性能的需求，在航天航空等高科技产业中具有十分广泛的应用，生产成本低，产生了巨大的经济价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种中空型、轻质仿生结构板，适用于用于航空航天领域、工程领域及装修领域等所使用的新型复合材料中，在保证其材料性能的同时，可大大降低整个材料的比重，达到轻质化设计目的。
背景技术
随着工业技术的不断发展，能源消耗过快的问题也成为全世界密切关注的核心问题，在全球能源有限的前提下，如何有效地节省能源成为可持续发展的重要方法之一。而在航空航天及工程等领域，机器本身的自重已消耗了大部分的能源，因而如何有效地减轻机器本身的重量而不影响其性能发挥成为技术人员关注的焦点。在此背景下，具备轻质化且高比强度复合材料的发展和技术更新显得日益迫切。
a) 汽车工业对材料轻质化的需求
自从1886年汽车诞生后，历经100多年的发展，汽车已经成为人类社会不可缺少的交通运输工具之一。社会和经济的发展对现代汽车设计和制造的要求越来越越高，集中反应在洁净化、安全化、轻量化、舒适化、信息化等五大方面，其中对轻量化的要求尤为紧迫。首先，汽车轻量化是节能的需求。有研究表明汽车自身重量每减轻100kg，则100km的燃油消耗量可减少0.2~0.8L，约为4.5%左右。减轻汽车自重，是提高汽车的节能性和环保性、降低燃油消耗及减少排放最有效的措施之一。其次，汽车轻量化是环保的要求。汽车的油耗主要取决于发动机的排放量和汽车的自重，减少排量受到保证动力性的限制，出路正是材料的轻质化。
b) 航空航天领域对材料轻质化的需求
材料轻质化是同时也是航空航天领域的重要研究课题之一。统计表明，对商用飞机、战斗机和卫星、空间站等飞行器，每减少1磅的结构重量，能带来的经济效益分别约为300、3000和30000美元。采用轻合金材料和轻质结构是实现结构轻质化的主要途径，现有的轻质结构如皱褶结构、蜂窝结构、泡沫铝等，因其制造工艺复杂等因素而使其广泛应用受到一定的限制。从仿生学的角度出发，向大自然寻求仿生设计的灵感一直是人类取得各种突破的新方向。总体看来，轻质结构的几何构形设计方面迫切需要更多新的理念和设计方法。
随着高新技术产业的不断发展，单纯轻质化的材料已不能满足工业及航空航天发展的需求，为寻找兼具轻质化且满足多功能需求的先进新型复合材料成为工程材料发展的新方向。
本发明设计出了一种具非贯通式空腔分布的中空型轻质仿生结构，该仿生结构为一种中空型轻质结构，其内部空腔间呈正多边型分布，空腔为球形或椭球形，空腔间相互不贯通。该结构占空比跨度大，强度高且生产工艺简单。
发明内容
本发明依据东方龙虱鞘翅的结构原理，提供一种中间为非贯通式空腔的中空型仿生结构板，从材料结构的角度来解决工程材料对材料轻质化的需求问题。
本发明的技术方案为：一种中间为非贯通式空腔的中空型仿生结构板，从上到下依次由上面板、中间空腔夹芯层和下面板组成，所述中间空腔夹芯层内部分布有大量的空腔，所述空腔相互之间不贯通，且所述各空腔的中心连线呈正多边形排列，所述任意相邻的两个空腔之间分布一个圆柱形空腔。
上述方案中，所述上面板的表面或所述下面板的表面为平面或曲面，所述上面板或下面板的材料为金属材料、合金材料或高分子复合材料。
上述方案中，所述中间空腔夹芯层的材料为复合材料。
上述方案中，所述空腔可以为球形空腔或椭球形空腔。
上述方案中，各空腔的中心连线呈正六边形排列。
本发明的技术效果:本发明提供的一种具非贯通式空腔分布的中空型轻质仿生结构板，具有较大的占空比，在实现材料轻质化的同时能够满足材料强度等力学性能的需求，在航天航空等高科技产业中具有十分广泛的应用，生产成本低，产生了巨大的经济价值。
附图说明
以下结合附图对本发明的技术方案作进一歩详细的说明。
图1 为本发明的结构示意图。
图2 为图1沿横向截面截开后的截面示意图。
图3为图1沿B-B向截开的截面示意图。
图4为图1沿A-A向截开的向截面图。
图中，1、上面板；2、中间空腔夹芯层；3、下面板；4、空腔；5、圆柱形空腔。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明进行详细说明。该仿生结构板如图1所示和图2所示，从上到下依次由上面板1、中间空腔夹芯层2和下面板3构成，其中中间空腔夹芯层2内部分布有大量的空腔4，空腔4可以为球形空腔或椭球形空腔（本实施例中的空腔4为球形空腔），所述空腔4相互之间不贯通，且各空腔的中心连线呈正多边形排列（本实施例中的各空腔中心连线呈正六边形排列）。在任意相邻的两个空腔间还分布一个圆柱形空腔5。这种结构，任意一个正多边形空腔可视为一个单胞，整个中间空腔夹芯层是由多个单胞紧密排列而成，能够有效减小应力集中。上、下面板表面为平面或曲面，上、下面板材料为金属材料、合金材料或高分子复合材料等，如果是复合材料，可以为层叠复合材料，层与层之间可以按任意角度铺设而成，常见的铺设角度如30°，45°，60°，90°，120°，135°，150°等。中间空腔夹芯层的材料一般采用复合材料来保证该结构的性能，同时减轻该结构的重量，做到轻质化设计。
通过对本发明的仿生结构层进行拉伸和弯曲实验，得到该中空型轻质仿生结构板的占空比约为30%，其强度极限为169.2~194.5Mpa；比强度为0.20~0.22（比强度定义为材料的强度除以材料的比重），与超轻质镁锂合金（0.16~0.21）相当，表现出了良好的力学性能，能够作为一种轻质材料广泛的适用于抗压、抗拉、抗弯、抗冲击强度等场合。
Claims (5)
1.一种中间为非贯通式空腔的中空型仿生结构板，从上到下依次由上面板（1）、中间空腔夹芯层（2）和下面板（3）组成，其特征在于：所述中间空腔夹芯层（2）内部分布有大量的空腔（4），所述空腔（4）相互之间不贯通，且所述各空腔（4）的中心连线呈正多边形排列，所述任意相邻的两个空腔（4）之间分布一个圆柱形空腔（5）。
2.根据权利要求1所述的一种中间为非贯通式空腔的中空型仿生结构板，其特征在于：所述上面板（1）的表面或所述下面板（3）的表面为平面或曲面，所述上面板（1）或下面板（3）的材料为金属材料、合金材料或高分子复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种中间为非贯通式空腔的中空型仿生结构板，其特征在于：所述中间空腔夹芯层（2）的材料为复合材料。
4.根据权利要求1所述的一种中间为非贯通式空腔的中空型仿生结构板，其特征在于：所述空腔（4）为球形空腔或椭球形空腔。
5.根据权利要求1所述的一种中间为非贯通式空腔的中空型仿生结构板，其特征在于：所述各空腔（4）的中心连线呈正六边形排列。
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