CN104699902B - 一种类方形蜂窝夹层结构 - Google Patents

Abstract

一种类方形蜂窝夹层结构，该结构的最小力学分析单元为组成第一直角的互相垂直的第一水平直角边和第一竖直直角边，和组成第二直角的互相垂直的第二水平直角边和第二竖直直角边，且两个呈轴对称的直角边通过胶粘剂胶接在一起。进一步扩展的结构为左右相邻的最小力学分析单元的水平端点连接，及上下相邻单元的上竖直边端点与下水平边端点相连。本发明提供的一种类方形蜂窝夹层结构，可以在满足结构使用条件的情况下，使夹层结构的重量更轻，形状更加美观。

Description

一种类方形蜂窝夹层结构

技术领域

本发明涉及一种蜂窝夹层结构，特别的，本发明涉及类方形蜂窝夹层结构。

背景技术

夹层结构具有重量轻，比强度高，比刚性好、隔音、隔热、寿命长、综合功能突出、外观平直度高、不易变形、加工适应性好等众多优点，在航空航天、高速列车、船舶、建筑室内外装饰、体育用品、赛车、轻体房屋等领域得到广泛的应用。一种类蜂窝夹层结构(申请号201310521056.7实审中)在结构上扩展了蜂窝体系，目前方形蜂窝夹层结构设计与理论分析已经日趋完善，且在某些领域成为广泛应用的一种夹层结构。但是从结构力学性能上、加工方法上，方形蜂窝夹层结构并不是最优的。一种类方形蜂窝夹层结构，在结构和成形方式上对现有的蜂窝夹层结构体系作有效补充。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种类方形蜂窝夹层结构，可以在满足夹层整体结构刚性的前提下，结构力学性能更优，形状更加美观。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是以：一种类方形蜂窝夹层结构，其特征是：该结构横截面的最小单元为，组成第一直角的互相垂直的第一水平直角边和第一竖直直角边，和组成第二直角的互相垂直的第二水平直角边和第二竖直直角边，且两个呈轴对称的直角边通过胶粘剂胶接在一起。

进一步扩展的结构为，各个最小单元的各条水平边与水平边的自由端点之间连接，水平连接得到的整体的竖直直边与下一单元的水平直边端点连接。

所述的第一水平直角边和第二水平直角边长度相等，第一竖直直角边和第二竖直直角边长度相等，且水平直角边的边长为竖直直角边边长的一半。

本发明提供的一种类方形蜂窝夹层结构，可以满足结构强度和刚性的前提下，使夹芯的加工过程更为简单，并且能够使夹层的结构的重量更轻，实现轻量化设计。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构组合的截面示意图。

图2为本发明结构的力学等效模型。

图3为本发明最小单元X方向上的单向拉伸受力结构示意图。

图4为本发明最小单元Y方向上的单向拉伸受力结构示意图。

图5为本发明最小单元受到平面剪切荷载时的受力结构示意图。

图6为类方形蜂窝夹层板简图。

图7为类方形蜂窝完整平面扩展图。

图8为一般方形蜂窝平面图。

具体实施方式

如图1，一种类方形蜂窝夹层结构，该结构横截面的最小受力单元为，互相垂直且端点连接的第一水平直角边、第一竖直直角边和第二水平直角边、第二竖直直角边；第一竖直直角边与第二竖直直角边通过胶接连接。

进一步扩展的结构为，各个最小单元的各条竖直直角边之间通过胶接连接，水平直角边通过直角转角端点连接。

所述的水平直角边1和水平直角边2长度相同；竖直直角边1和竖直直角边2长度相同；且有水平直角边的长度为竖直直角边长度的一半。

下面对于上述的结构进行验算，以进一步说明本发明结构的优点。

类似于正六边形的分析，基于夹芯层的微观结构和整个夹芯层宏观结构的力学性能，建立一个均质的正交异型层，与原有夹芯结构具有等同力学性能的模型，称之为夹芯结构力学等效模型。本文夹层结构等效模型如图2所示。等效模型能从总体上同时反映夹芯结构的微观性能和宏观性能，能更好的对其进行研究。

模型使用的前提条件是确定夹芯结构力学等效模型的弹性常数，因此Gibson提出了经典的胞元理论。目前，有关蜂窝夹芯结构的等效弹性常数的研究工作绝大部分是在胞元理论的基础上展开的。为了便于与常用的夹芯层结构进行比较，本文在已有研究的基础上，运用传统的材料力学与弹性力学理论知识，对本文提出的类方形蜂窝夹芯结构的力学等效模型进行分析与求解。本文的理论分析所用的类方形蜂窝夹芯层结构为双层胶接结构。为简化分析过程，假设夹芯受力过程中胶接层不出现破坏，则分析中胶接的两条竖直直角边，用厚度为2倍的一条竖直直角边代替。从微观力学的角度看，将蜂窝夹芯层中的“T”型结构或是能组成 蜂窝结构的单元定义为细胞单元体，简称胞元。图3是本发明涉及的胞元，即本发明的最小单元。

一、夹芯在X方向上的等效弹性参数的推导过程

根据力的平衡条件得：

当类方形蜂窝力学分析单元受X方向的应力时，有：

P_x＝σ_xb(h+t) (01)

因t<<h故有

P_x＝σ_xbh (02)

由于在A点、C点处的转角为零，则有

M＝M_A＝M_C＝0 (03)

根据胡克定律，在外力P_x的作用下，力学分析单元壁板AB的轴向拉伸量δ_AB为

其中表示单元壁板AB在等效力P_x作用下的线应变，为单元壁板AB在截面上的正应力。

同理得单元壁板BC的轴向拉伸量δ_BC为：

依图所示，由胡克定律可得在X方向上的等效应变为：

δ_cx为类方形蜂窝受力单元在X方向的总伸长量。

因在Y方向上没有外力的作用，且在Y方向上的收缩变形很小，故可忽略在Y方向上的应变，即有

根据泊松比的定义，可知类方形蜂窝夹芯在X方向上的等效泊松比ν_cx为：

根据弹性模量的定义可知，在X方向上类方形蜂窝夹芯的等效弹性模量E_cx为：

二、夹芯在Y方向上的等效弹性参数的推导

根据力的平衡条件得

当类方形蜂窝受力单元受Y方向正应力时：

P_y＝σ_ybl (10)

由力的平衡定理得

根据材料力学相关知识可知，由等效均布荷载σ_y引起AB的挠度ω_AB为

其中

可得

而此时由等效集中荷载引起的受力单元AB的轴向伸长

δ_AB2＝0 (15)

同理可以求得类方形蜂窝受力单元BC的挠度ω_BC与轴向伸长δ_BC2

δ_BC2＝0 (17)

在Y方向应力作用下分析受力单元BD的伸长量δ_BD有

其中表示单元壁板BD在等效力P_y作用下的线应变，为单元壁板BD 在其截面上的正应力。

则X方向的等效应变

Y方向的等效应变

Y方向的等效泊松比ν_cy

且得Y方向的等效弹性模量

三、G_cxy的推导

根据分析，计算模型的受力状态不仅要满足类方形蜂窝力学分析单元受力平衡，而且要满足整个芯子各平衡，即各节点平衡，等效模型的受力将是如上图所示。在模型建立时，引入几点假设：

(1)假设A、B、C节点没有相对位移，

(2)假设各节点转过相同的角度

(3)剪切变形是由BD绕B点的转动和BD的弯曲形成的；

由整个结构对B点取距，由M_B＝0得

Fh＝2Nl (23)

则可

由等效结构中的等效单元体剪应力互等定理可得

由AB受力分析单元壁板对B点取矩，且∑M＝0得

AB胞壁，可看成A、B点简支，在A、B点均有弯矩M则此时可由AB 杆受力情况得到在B点产生的逆时针转角

同理可计算BC胞壁

则可知由于AB,BC胞壁的变形引起B点逆时针转角

由假设剪切变形是由胞壁BD绕B点的转动和BD本身的弯曲形成的则

其中

即可得

令得

得到剪应变

又有可得到等效剪切模量G_cxy为

四、等效密度的计算

结构模型求等效密度的思路是先计算蜂窝壁胞的质量，在将其与壁胞尺寸相同的实体板进行等效从而求得等效密度。

则其计算如下

由四边形ACEF包围的受力单元体积为

V₁＝bt(2l+h) (35)

受力单元质量为

m₁＝ρ_sV₁＝ρ_s·bt(2l+h) (36)

其中ρ_s—夹芯材料的密度，kg/m³；

受力单元的等效实体模型为矩形ACEF所围成的四边形，其等效体积V_ce为：

V_ce＝2lhb (37)

等效实体模型的质量m_ce为：

m_ce＝ρ_cV_ce＝ρ_c·2lhb (38)

其中ρ_c—夹芯材料的等效密度，kg/m³；

根据等效前后的质量守恒原理，m_ce＝m₁，可得：

综合上面的推导，可以得到适合工程应用的类方形蜂窝夹芯各等效弹性参数表达式为：

式中各符号的含义为；E_cx,E_cy为蜂窝夹芯在x、y方向上的等效弹性模量，MPa；E_s为夹芯材料的弹性模量，MPa；G_cxy为蜂窝夹芯在xy平面上的等效剪切模量，MPa；ν_cx,ν_cy—蜂窝夹芯在x、y方向上的等效泊松比；ρ_c为类蜂窝夹芯的等效密度，kg/m³；ρ_s为夹芯材料的密度，kg/m³。

考虑到实际加工方便，选取h＝2l，且实际尺寸中类方形蜂窝中胞元壁厚t远 小于胞元壁长l，即t<<l则上述公式可以化简为

而一般的四边形的蜂窝夹层结构的力学参数公式如下所示：

由上面公式在满足材料使用等效弹性模量的前提下，类方形蜂窝夹层结构的等效密度更小，为一般正方形蜂窝夹层结构的2/3，且类方形蜂窝夹层结构形状更加美观。

Claims (2)

1.一种类方形蜂窝夹层结构，其特征是：该结构横截面的最小单元为，组成第一直角的互相垂直的第一水平直角边（1）和第一竖直直角边（2），和组成第二直角的互相垂直的第二水平直角边（3）和第二竖直直角边（4），且两个呈轴对称的直角边通过胶粘剂胶接在一起；

所述最小单元的各条水平边与水平边的自由端点之间连接，水平连接得到的整体的竖直直边与下一单元的水平直边端点连接。

2.根据权利要求1所述的一种类方形蜂窝夹层结构，其特征是：所述的第一水平直角边（1）和第二水平直角边（3）长度相等，第一竖直直角边（2）和第二竖直直角边（4）长度相等，且水平直角边的边长为竖直直角边边长的一半。