CN104723616B - 一种轻质正交波纹夹芯复合结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻质正交波纹夹芯复合结构及其制备方法，该复合结构上面板、下面板以及设置在上面板与下面板间的正交波纹芯体；与传统的横观各向异性的波纹夹芯结构相比，在本发明的正交近似各向同性波纹夹芯复合结构中，面内正交两个方向的抗剪切能力和抗弯曲能力近似相同；在面外垂直方向，由于采用正交波纹的设计思路和方法，使得正交近似各向同性波纹夹芯复合结构的抗局部屈曲的能力较横观各向异性的波纹夹芯结构大大增强，从而有效避免了沿波纹面局部坍塌和变形的发生；芯层的正交设计所形成的间隙为结构的多功能化设计提供了空间，可以根据工程应用的需求放置功能元器件、填充吸声材料或其它功能材料，从而实现多功能化。
Description
技术领域
本发明涉及船舶船体、飞机结构、海洋平台、汽车车体、高速列车和建筑等领域，特别涉及一种轻质正交波纹夹芯复合结构及其制备方法。
背景技术
随着近些年来低密度的“夹芯”用于不同结构以来，夹芯材料和结构在很多领域以其优异的性能发挥着重要的作用。夹芯材料和结构主要是用低密度的芯材来降低其重量，其承载能力要比相同体积的实体层状结构强好几倍。夹芯结构具有高比强度、高比刚度、耐冲击/撞击等优点，由于这些优异的性能使得世界各国对该类材料和结构的研究和开发更加重视。
夹芯结构是由两层较薄的表层面板和用来提供支撑两块面板作用的轻质夹芯所组成的。面板材料通常有金属或非金属等。夹芯材料可以采用金属泡沫、格栅材料、蜂窝铝、波纹金属薄片等材料，几何结构可以采用梯形、三角形、正弦形、半圆形等。波纹夹芯结构由于其质量轻、强度高、容易成型和制造成本低而广泛应用于航空航天、船舶、高速列车等交通运输工具。波纹夹芯结构具有轻质、高强、容易加工制造、降噪、良好的抗冲击性能和吸能特性等优点。该类结构已在航空飞机腹板、舰船地板和舱室、高速列车和建筑等领域得到广泛的应用。但是目前所用的波纹夹芯结构具有明显的各项异性，对于传统的横观各向异性的波纹夹芯结构在面内正交两个方向的抗剪切能力和抗弯曲能力则完全不同，垂直于波纹方向的抗弯曲能力明显大于平行于波纹方向的抗弯曲能力；平行于波纹方向的抗剪切能力明显大于垂直于波纹方向的抗剪切能力，且抗局部屈曲变形和局部坍塌的能力较低，从而使得波纹夹芯结构在工程应用中具有明显的局限性。为了避开这些设计上的缺陷，需要开发具有轻质、耐冲击、隔声、降噪等优点的多功能复合材料与结构。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种轻质正交波纹夹芯复合结构及其制备方法，该复合结构能够有效地保护放置于正交近似各向同性波纹夹芯结构背部的目标，且制备方法简单。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种轻质正交波纹夹芯复合结构，包括上面板1、下面板4以及设置在上面板1与下面板4间的正交波纹芯体；所述正交波纹芯体由相叠加X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成；所述X方向波纹芯体2是由X方向波纹芯体的基本单元沿Y方向的正向或负向平移若干个基本单元长度组成；Y方向波纹芯体3是由Y方向波纹芯体的基本单元沿X方向的正向或负向平移若干个基本单元长度组成；X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3在平面XY的投影面是相互垂直的，所述X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3与上面板1和下面板4粘接为一体结构；
所述X方向波纹芯体的基本单元由相连接的间隔排列的多个X方向波纹芯体顶端2-1和X方向波纹芯体底端2-2组成，X方向波纹芯体顶端2-1的中心和相邻X方向波纹芯体底端2-2中心向平面XY的投影连线与Y轴平行，相邻的X方向波纹芯体的基本单元的间距在Y方向上与X方向波纹芯体的基本单元的宽度相等；
所述Y方向波纹芯体的基本单元由相连接的间隔排列的多个Y方向波纹芯体顶端3-1和Y方向波纹芯体底端3-2组成，Y方向波纹芯体顶端3-1的中心和相邻Y方向波纹芯体底端3-2中心向平面XY的投影连线与X轴平行，相邻的Y方向波纹芯体的基本单元的间距在X方向上与Y方向波纹芯体的基本单元的宽度相等，对于在平面XY的投影面相互垂直的X方向波纹芯体和Y方向波纹芯体；
所述X方向波纹芯体顶端2-1的中心和Y方向波纹芯体底端3-2中心连线与Z轴平行；所述X方向波纹芯体底端2-2的中心和Y方向波纹芯体顶端3-1中心连线与Z轴平行。
所述X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成的正交波纹芯体为正交梯形结构、正交三角形结构、正交正弦结构或正交半圆形结构。
所述X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3与上面板1和下面板4通过激光焊接或强力胶粘接为一体结构。
所述上面板1和下面板4的厚度相同或不同，材料相同或不同。
所述上面板1、X方向波纹芯体2、Y方向波纹芯体3和下面板4的材料为金属或非金属。
上述所述轻质正交波纹夹芯复合结构的制备方法，当X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成正交梯形结构时，采用高速工具钢制作梯形凹陷模具，然后采用梯形凹陷模具的梯形冲压压头冲压薄铝板形成梯形波纹型结构，然后通过激光切割机将梯形波纹结构切割成条状结构，要求波纹条状结构的宽度与梯形波纹最小底边的长度相等，然后将梯形波纹条按照权利要求1的方式进行正交放置；最后通过激光焊接或强力胶膜与上面板1和下面板4焊接或粘接形成一体，构成一种正交梯形波纹夹芯复合结构；
当X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成正交三角形结构时，采用高速工具钢制作三角形凹陷模具，然后采用三角形凹陷模具的三角形冲压压头冲压薄铝板形成三角形波纹型结构，然后通过激光切割机将三角形波纹结构切割成条状结构，要求波纹条状结构的宽度与三角形波纹底边长度的一半相等，然后将三角形波纹条按照权利要求1的方式进行正交放置；最后通过激光焊接或强力胶膜与上面板1和下面板4焊接或粘接形成一体，构成一种正交三角形波纹夹芯复合结构；
当X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成正交正弦结构时，采用高速工具钢制作正弦凹陷模具，然后采用正弦凹陷模具的正弦冲压压头冲压薄铝板形成正弦波纹型结构，然后通过激光切割机将正弦波纹结构切割成条状结构，要求波纹条状结构的宽度与正弦波纹弦长长度的一半相等，然后将正弦波纹条按照权利要求1的方式进行正交放置；最后通过激光焊接或强力胶膜与上面板1和下面板4焊接或粘接形成一体，构成一种正交正弦波纹夹芯复合结构；
当X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成正交半圆形结构时，采用高速工具钢制作半圆形凹陷模具，然后采用半圆形凹陷模具的半圆形冲压压头冲压薄铝板形成半圆形波纹型结构，然后通过激光切割机将半圆形波纹结构切割成条状结构，要求波纹条状结构的宽度与半圆形波纹的直径相等，然后将半圆形波纹条按照权利要求1的方式进行正交放置；最后通过激光焊接或强力胶膜与上面板1和下面板4焊接或粘接形成一体，构成一种正交半圆形波纹夹芯复合结构。
本发明和现有技术相比较，具备如下优点：
传统的横观各向异性的波纹夹芯结构在面内正交两个方向的抗剪切能力和抗弯曲能力则完全不同，垂直于波纹方向的抗弯曲能力明显大于平行于波纹方向的抗弯曲能力；平行于波纹方向的抗剪切能力明显大于垂直于波纹方向的抗剪切能力。与传统的横观各向异性的波纹夹芯结构相比，在本发明的正交近似各向同性波纹夹芯复合结构中，面内正交两个方向的抗剪切能力和抗弯曲能力近似相同。并且在面外垂直方向，由于采用正交波纹的设计思路和方法，使得正交近似各向同性波纹夹芯复合结构的抗局部屈曲的能力较横观各向异性的波纹夹芯结构大大增强，从而有效避免了沿波纹面局部坍塌和变形的发生。芯层的正交设计所形成的间隙为结构的多功能化设计提供了空间，可以根据工程应用的需求放置功能元器件、填充吸声材料或其它功能材料，从而实现多功能化。当该类结构在服役过程中遭受强动载荷作用时，可以通过正交近似各向同性的波纹芯层的塑性屈曲变形及上面板和下面板的拉伸弯曲的联合变形实现对外部冲击能量的吸收，从而有效地保护放置于正交近似各向同性波纹夹芯结构背部的目标。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。
图1是本发明一种正交波纹夹芯复合结构—正交梯形结构示意图，其中：图1a是正交梯形结构的整体图，图1b是正交梯形结构的基本单元图。
图2是本发明一种正交波纹夹芯复合结构—正交三角形结构示意图，其中：图2a是正交三角形结构的整体图，图2b是正交三角形结构的基本单元图。
图3是本发明一种正交波纹夹芯复合结构—正交正弦结构示意图，其中：图3a是正交正弦结构的整体图，图3b是正交正弦结构的基本单元图。
图4是本发明一种正交波纹夹芯复合结构—正交半圆形结构示意图，其中：图4a是正交半圆形结构的整体图，图4b是正交半圆形结构的基本单元图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明正交近似各向同性轻质波纹夹芯防护结构做进一步的详细描述。
实施例一
如图1a和图1b所示，本实施例一种轻质正交波纹夹芯复合结构，包括上面板1、下面板4以及设置在上面板1与下面板4间的正交波纹芯体；所述正交波纹芯体由相叠加X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成；所述X方向波纹芯体2是由X方向波纹芯体的基本单元沿Y方向的正向或负向平移若干个基本单元长度组成；Y方向波纹芯体3是由Y方向波纹芯体的基本单元沿X方向的正向或负向平移若干个基本单元长度组成；X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3在平面XY的投影面是相互垂直的，所述X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3与上面板1和下面板4粘接为一体结构；所述X方向波纹芯体的基本单元由相连接的间隔排列的多个X方向波纹芯体顶端2-1和X方向波纹芯体底端2-2组成，X方向波纹芯体顶端2-1的中心和相邻X方向波纹芯体底端2-2中心向平面XY的投影连线与Y轴平行，相邻的X方向波纹芯体的基本单元的间距在Y方向上与X方向波纹芯体的基本单元的宽度相等；所述Y方向波纹芯体的基本单元由相连接的间隔排列的多个Y方向波纹芯体顶端3-1和Y方向波纹芯体底端3-2组成，Y方向波纹芯体顶端3-1的中心和相邻Y方向波纹芯体底端3-2中心向平面XY的投影连线与X轴平行，相邻的Y方向波纹芯体的基本单元的间距在X方向上与Y方向波纹芯体的基本单元的宽度相等，对于在平面XY的投影面相互垂直的X方向波纹芯体和Y方向波纹芯体；所述X方向波纹芯体顶端2-1的中心和Y方向波纹芯体底端3-2中心连线与Z轴平行；所述X方向波纹芯体底端2-2的中心和Y方向波纹芯体顶端3-1中心连线与Z轴平行。本实施例X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成的正交波纹芯体为正交梯形结构。
本实施例轻质正交波纹夹芯复合结构的制备方法，采用高速工具钢制作梯形凹陷模具，然后采用梯形凹陷模具的梯形冲压压头冲压薄铝板形成梯形波纹型结构，然后通过激光切割机将梯形波纹结构切割成条状结构，要求波纹条状结构的宽度与梯形波纹最小底边的长度相等，然后将梯形波纹条按照权利要求1的方式进行正交放置；最后通过激光焊接或强力胶膜与上面板1和下面板4焊接或粘接形成一体，构成一种正交梯形波纹夹芯复合结构。
实施例二
如图2a和图2b所示，本实施例一种轻质正交波纹夹芯复合结构，其结构除了X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成的正交波纹芯体为正交三角形结构外，其它同实施例一。
实施例三
如图3a和图3b所示，本实施例一种轻质正交波纹夹芯复合结构，其结构除了X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成的正交波纹芯体为正交正弦结构外，其它同实施例一。
实施例四
如图4a和图4b所示，本实施例一种轻质正交波纹夹芯复合结构，其结构除了X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3组成的正交波纹芯体为正交半圆形结构外，其它同实施例一。
作为优选的实施方式，所述X方向波纹芯体2和Y方向波纹芯体3与上面板1和下面板4通过激光焊接或强力胶粘接为一体结构。
作为优选的实施方式，所述上面板1和下面板4的厚度相同或不同，材料相同或不同。
作为优选的实施方式，所述上面板1、X方向波纹芯体2、Y方向波纹芯体3和下面板4的材料为金属或非金属。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (6)
1.一种轻质正交波纹夹芯复合结构，其特征在于：包括上面板(1)、下面板(4)以及设置在上面板(1)与下面板(4)间的正交波纹芯体；所述正交波纹芯体由相叠加X方向波纹芯体(2)和Y方向波纹芯体(3)组成；所述X方向波纹芯体(2)是由X方向波纹芯体的基本单元沿Y方向的正向或负向平移若干个基本单元长度组成；Y方向波纹芯体(3)是由Y方向波纹芯体的基本单元沿X方向的正向或负向平移若干个基本单元长度组成；X方向波纹芯体(2)和Y方向波纹芯体(3)在平面XY的投影面是相互垂直的，所述X方向波纹芯体(2)和Y方向波纹芯体(3)与上面板(1)和下面板(4)粘接为一体结构；
所述X方向波纹芯体的基本单元由相连接的间隔排列的多个X方向波纹芯体顶端(2-1)和X方向波纹芯体底端(2-2)组成，X方向波纹芯体顶端(2-1)的中心和相邻X方向波纹芯体底端(2-2)中心向平面XY的投影连线与Y轴平行，相邻的X方向波纹芯体的基本单元的间距在Y方向上与X方向波纹芯体的基本单元的宽度相等；
所述Y方向波纹芯体的基本单元由相连接的间隔排列的多个Y方向波纹芯体顶端(3-1)和Y方向波纹芯体底端(3-2)组成，Y方向波纹芯体顶端(3-1)的中心和相邻Y方向波纹芯体底端(3-2)中心向平面XY的投影连线与X轴平行，相邻的Y方向波纹芯体的基本单元的间距在X方向上与Y方向波纹芯体的基本单元的宽度相等，对于在平面XY的投影面相互垂直的X方向波纹芯体和Y方向波纹芯体；
所述X方向波纹芯体顶端(2-1)的中心和Y方向波纹芯体底端(3-2)中心连线与Z轴平行；所述X方向波纹芯体底端(2-2)的中心和Y方向波纹芯体顶端(3-1)中心连线与Z轴平行。
2.根据权利要求1所述的轻质正交波纹夹芯复合结构，其特征在于：所述X方向波纹芯体(2)和Y方向波纹芯体(3)组成的正交波纹芯体为正交梯形结构、正交三角形结构、正交正弦结构或正交半圆形结构。
3.根据权利要求1所述的轻质正交波纹夹芯复合结构，其特征在于：所述X方向波纹芯体(2)和Y方向波纹芯体(3)与上面板(1)和下面板(4)通过激光焊接或强力胶粘接为一体结构。
4.根据权利要求1所述的轻质正交波纹夹芯复合结构，其特征在于：所述上面板(1)和下面板(4)的厚度相同或不同，材料相同或不同。
5.根据权利要求1所述的轻质正交波纹夹芯复合结构，其特征在于：所述上面板(1)、X方向波纹芯体(2)、Y方向波纹芯体(3)和下面板(4)的材料为金属或非金属。
6.权利要求2所述轻质正交波纹夹芯复合结构的制备方法，其特征在于：当X方向波纹芯体(2)和Y方向波纹芯体(3)组成正交梯形结构时，采用高速工具钢制作梯形凹陷模具，然后采用梯形凹陷模具的梯形冲压压头冲压薄铝板形成梯形波纹型结构，然后通过激光切割机将梯形波纹结构切割成条状结构，要求波纹条状结构的宽度与梯形波纹最小底边的长度相等，然后将梯形波纹条按照权利要求1所述的复合结构进行正交放置；最后通过激光焊接或强力胶膜与上面板(1)和下面板(4)焊接或粘接形成一体，构成一种正交梯形波纹夹芯复合结构；
当X方向波纹芯体(2)和Y方向波纹芯体(3)组成正交三角形结构时，采用高速工具钢制作三角形凹陷模具，然后采用三角形凹陷模具的三角形冲压压头冲压薄铝板形成三角形波纹型结构，然后通过激光切割机将三角形波纹结构切割成条状结构，要求波纹条状结构的宽度与三角形波纹底边长度的一半相等，然后将三角形波纹条按照权利要求1所述的复合结构进行正交放置；最后通过激光焊接或强力胶膜与上面板(1)和下面板(4)焊接或粘接形成一体，构成一种正交三角形波纹夹芯复合结构；
当X方向波纹芯体(2)和Y方向波纹芯体(3)组成正交正弦结构时，采用高速工具钢制作正弦凹陷模具，然后采用正弦凹陷模具的正弦冲压压头冲压薄铝板形成正弦波纹型结构，然后通过激光切割机将正弦波纹结构切割成条状结构，要求波纹条状结构的宽度与正弦波纹弦长长度的一半相等，然后将正弦波纹条按照权利要求1所述的复合结构进行正交放置；最后通过激光焊接或强力胶膜与上面板(1)和下面板(4)焊接或粘接形成一体，构成一种正交正弦波纹夹芯复合结构；
当X方向波纹芯体(2)和Y方向波纹芯体(3)组成正交半圆形结构时，采用高速工具钢制作半圆形凹陷模具，然后采用半圆形凹陷模具的半圆形冲压压头冲压薄铝板形成半圆形波纹型结构，然后通过激光切割机将半圆形波纹结构切割成条状结构，要求波纹条状结构的宽度与半圆形波纹的直径相等，然后将半圆形波纹条按照权利要求1所述的复合结构进行正交放置；最后通过激光焊接或强力胶膜与上面板(1)和下面板(4)焊接或粘接形成一体，构成一种正交半圆形波纹夹芯复合结构。
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