CN104890308A - 一种三明治结构及蜂窝结构芯体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三明治结构，其包括第一夹层、第二夹层以及位于其之间的芯体，所述芯体为多级蜂窝结构；所述多级蜂窝结构中，在胞元边长为L₀的当前级蜂窝结构中每两条或者三条边的交点处用边长为L₁多边形替换形成下一级蜂窝结构；其中L₁L₀。本发明质量轻，比强度高，吸能效率高，保温性，隔热性能，隔音性能较好，多功能综合性能较强；本发明的多级蜂窝结构芯体在面内(X-Y方向)，面外(Z方向)两个方向上，与传统蜂窝结构相比，力学性能，机械强度，吸能效率，抗冲击性等各种性能上有明显提高，并且蜂窝等级越高，各项性能越好，这使得该类多级蜂窝结构在工程领域中与传统蜂窝结构相比具有巨大的优势。

Description

一种三明治结构及蜂窝结构芯体

技术领域

本发明涉及结构材料，尤其涉及一种三明治结构及蜂窝结构芯体。

背景技术

自然界一直是人类获取发明创造的灵感源泉，生物体所具有的独特外形、内部微观结构及优化原理等特性，为工程技术研发人员提供新的设计思路和仿生理论参考。多孔材料广泛存在于自然界中，如木材、蜂窝、动物骨骼和海绵等。仿照该类生物结构设计的一些性能优异的结构，如蜂窝铝三明治结构等，其相对密度小，比强度和比刚度大，吸能效率高，抗冲击性好，减震缓冲、隔热隔音等性能优异，是理想的轻质结构材料，一直都受到学术界和工程界的重视，特别是在航空航天飞行器、高速列车、汽车以及高速舰船等高科技领域已经得到广泛应用。

目前国内外常见的三明治结构，如传统的六边形蜂窝三明治结构、专利申请号为CN103559343A的类蜂窝三明治结构、专利申请号为CN202742715U中的三明治防弹夹层板结构等，这些三明治结构主要由金属或者复合材料夹层和高孔隙率金属芯体组合而成，其芯体对三明治结构性能影响最大。

随着科技的发展，汽车、航天、航海等高科技领域对结构的轻量化和高性能要求越来越高，上述目前国内外常见的三明治结构在高速碰撞情况下，抵抗冲击、减震缓冲、能量吸收存在明显不足。因此，开发一种质量轻，吸能效果更好，抗冲击能力更强，力学性能更优异的三明治夹芯结构已经成为目前各个领域中较为迫切的需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种三明治结构，其具有质量轻、力学性能更优越、机械强度更高、吸能效率更高、抗冲击性好、减震缓冲、隔热隔音等各种性能的优点，能够解决现有技术中在高速碰撞情况下，存在的抵抗冲击、减震缓冲、能量吸收明显不足的问题。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明提供一种三明治结构，其包括第一夹层、第二夹层以及位于其之间的芯体，所述芯体为多级蜂窝结构；所述多级蜂窝结构中，在胞元边长为L₀的当前级蜂窝结构中每两条或者三条边的交点处用边长为L₁多边形替换形成下一级蜂窝结构；其中L₁<L₀。

更进一步地，所述第一夹层和第二夹层为平面板；或者，所述第一夹层和第二夹层为曲面板；或者，所述第一夹层和第二夹层为管材。

更进一步地，所述多级蜂窝结构包括：

六边形多级蜂窝结构、四边形多级蜂窝结构或者三边形多级蜂窝结构。

更进一步地，所述第一夹层上设置有减重孔；和/或，所述第二夹层上设置有减重孔。

更进一步地，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t由上往下均匀递增或者递减；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递增；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递减；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构中的单个胞元结构的多边形斜边与竖直方向的夹角为负。

本发明还提供一种蜂窝结构芯体，所述蜂窝结构为多级蜂窝结构，所述多级蜂窝结构中，在胞元边长为L₀的当前级蜂窝结构中每两条或者三条边的交点处用边长为L₁多边形替换形成下一级蜂窝结构；其中L₁<L₀。

更进一步地，所述多级蜂窝结构包括：

六边形多级蜂窝结构、四边形多级蜂窝结构或者三边形多级蜂窝结构。

更进一步地，所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t由上往下均匀递增或者递减；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递增；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递减；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构中的单个胞元结构的多边形斜边与竖直方向的夹角为负。

由上述本发明的技术方案可以看出，本发明的有益效果在于：

由于本发明采用多级蜂窝结构芯体，因此其质量轻，比强度高，吸能效率高，保温性，隔热性能，隔音性能较好，多功能综合性能较强；本发明的多级蜂窝结构芯体在面内(X-Y方向)，面外(Z方向)两个方向上，与传统蜂窝结构相比，力学性能，机械强度，吸能效率，抗冲击性等各种性能上有明显提高，并且蜂窝等级越高，各项性能越好，这使得该类多级蜂窝结构在工程领域中与传统蜂窝结构相比具有巨大的优势；

通过在本发明的第一夹层和第二夹层上设置减重孔，能够有效地减轻三明治结构的重量，在汽车、飞机轻量化上有巨大应用价值；

当多级蜂窝结构每一层蜂窝结构中的单个胞元结构的多边形斜边与竖直方向的夹角θ为负，本发明芯体在面内方向上(X-Y方向)，具有负泊松比效应，可变化成为多级负泊松比蜂窝结构，负泊松比结构具有很多奇特的力学性能。与传统内凹六边形相比，材料的剪切模量、断裂韧性加强，压痕阻力增加，同向曲率变形行为增加，具有更好的抵抗冲击的能力；

当多级蜂窝结构为多级功能负梯度蜂窝结构时，有更好的吸能和压溃变形等效果，在吸能和结构防护上比传统功能梯度蜂窝具有更好的应用价值。

附图说明

图1为本发明中多级蜂窝结构芯体三明治平板的示意图；

图2为本发明中多级蜂窝结构芯体三明治圆管及其局部放大的示意图；

图3为本发明中多级蜂窝结构芯体三明治曲面板的结构示意图；

图4-1为传统六边形蜂窝结构中的单个胞元结构示意图；

图4-2为一级蜂窝结构中的单个胞元结构示意图；

图4-3为二级蜂窝结构中的单个胞元结构示意图；

图5为γ₁取0.3时的一级四边形蜂窝结构的三维图和俯视图；

图6为γ₁取0.3，θ取30°时一级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图；

图7为γ₁取0.3，γ₂取0.12，θ取30°时的二级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图；

图8为γ₁取0.3，θ取10°时的一级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图；

图9为γ₁取0.3，θ取-20°时的一级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图；

图10为γ₁取0.3，θ取30°时的一级功能梯度蜂窝结构的示意图；

图11为传统六边形蜂窝、一级蜂窝和二级蜂窝结构面外方向压缩力-位移曲线。

附图中：

上平面板1；芯体2；下平面板3；外管4；芯体5；内管6；减重孔7；上曲面板8；芯体9；下曲面板10。

具体实施方式

为使本发明的结构更为清晰，下面结合附图对本发明做更详细的描述。

本发明提供一种三明治结构，该结构如图1所示，包括第一夹层、第二夹层和位于第一夹层和第二夹层之间的以多级蜂窝结构为基体的芯体。

其中的第一夹层和第二夹层可以是平面板、带有减重孔的曲面板或者管材；当本发明运用于建筑领域房屋天花板等时，夹层板选择平面板；当本发明运用于交通领域汽车车身、飞机机身等时，夹层板选择带有减重孔的曲面板或者圆管。第一夹层和第二夹层的材质可以选择金属铝或铝合金薄板、不锈钢薄板、铜板、镀锌铁板等材料。

其中的芯体对三明治结构性能影响最大，其采用高孔隙率芯体，芯体材料可选择铝合金或者聚丙烯等。芯体采用新型多级蜂窝结构，可以是多级六边形蜂窝结构、多级四边形蜂窝结构或者多级三边形蜂窝结构等。

下面以芯体采用多级六边形蜂窝结构为例进行说明。

芯体采用的多级六边形蜂窝结构是指在胞元边长为L₀的六边形蜂窝结构中每两条或者三条边的交点处用边长为L₁(小于L₀)六边形替换的一种新型结构，所有交点被边长为L₁的六边形第一次替换之后的结构定义为一级六边形蜂窝结构，同理，一级六边形蜂窝结构所有交点被边长为L₂(小于L₁)的六边形替换之后的结构定义为二级六边形蜂窝结构，以此类推，在上级的基础上每用边长更小的六边形替换交点一次，等级提高一级。以两级六边形蜂窝结构芯体为例，定义γ₁＝L₁/L₀，γ₂＝L₂/L₀，其中γ₁表示不同边长参数的取值对应不同的一级六边形蜂窝结构；γ₂表示不同边长参数的取值对应不同的二级六边形蜂窝结构。

经申请人充分研究，影响蜂窝铝芯材性能因素主要为蜂窝结构的胞元形状及其形状参数。上述本发明提供的一种新型三明治结构能够非常好的满足工程领域中的需求。特别的，该类三明治结构改变其蜂窝结构胞元的形状参数，能够形成负泊松比和功能梯度等特殊功能结构。这使得该类仿生结构在许多领域与传统蜂窝结构相比具有很大优势。

在面内(X-Y方向)，面外(Z方向)两个方向上，与传统的蜂窝芯体比较，以多级蜂窝结构为基体的芯体在力学、吸能、抗冲击、减震缓冲、隔热隔音等性能上有显著提高。并且蜂窝等级越高，上述各项多功能综合性能越好。

实施例1

实施例1是以多级蜂窝结构为芯体基体的三明治平板，其结构如图2所示，包括上平面板1、芯体2和下平面板3。上平面板1与芯体2以及芯体2与下平面板3之间通过粘接连接。构成上平面板1、下平面板3、芯体2的基体材料可以根据不同领域的要求采用不同材料，并不仅仅局限于金属材料。

实施例2

实施例2是以多级蜂窝结构为芯体基体的三明治管材，其结构如图3所示，包括外管4、芯体5和内管6。外管4与芯体5以及芯体5与内管6之间同样通过粘接连接。同样构成外管4、芯体5、内管6的基体材料可以根据不同领域的要求采用不同材料，并不仅仅局限于金属材料。

实施例3

实施例3是以多级蜂窝结构为芯体基体的三明治曲面板，其结构如图4所示，包括：上曲面板8、芯体9和下曲面板10。其中上曲面板8和下曲面板10上设置有减重孔7；上曲面板8与芯体9以及芯体9与下曲面板10之间通过粘接连接。构成上曲面板8、芯体9和下曲面板10的基体材料可以根据不同领域的要求采用不同材料，并不仅仅局限于金属材料。

当芯体需要具有较强吸能能力时，通过增加减重孔7和减小曲面板厚度，能够在不影响其性能的情况下，有效减轻三明治曲面板结构重量，在汽车、航天领域中有广泛的应用前景。

上述三明治结构制造过程如下：

第一步，对夹层板进行表面粗化和表面清洗；

第二步，用3D打印或者模具烧铸等方法制造多级蜂窝夹芯结构；

第三步，对制造和加工好的夹芯和夹层板结构进行粘接，粘接时分别在所述夹层板内侧和多级蜂窝夹芯两侧进行涂胶或胶膜，然后将所述夹层板和夹芯进行预压，得到预压件；

第四步，将预压件放置模压机中，控制模压机的加载压力和温度，成型得到多级蜂窝结构为芯材的三明治结构。胶膜选择环氧树脂类胶或胶膜。

下面以图4-1所示的传统六边形蜂窝的芯体、图4-2所示的一级六边形蜂窝的芯体、图4-3所示的二级六边形蜂窝结构的芯体为例进行比较，来说明本发明采用多级蜂窝结构后的性能。

图4-1、图4-2、图4-3中显示了多级结构胞元的几个主要设计变量L₀、L₁、L₂、t₀、t₁、t₂和θ。其中L₀和t₀表示传统蜂窝结构胞元六边形的边长和厚度；L₁和t₁表示一级六边形蜂窝结构胞元最小六边形的边长和厚度；L₂和t₂表示二级六边形蜂窝结构胞元最小六边形的边长和厚度；θ表示胞元斜边与竖直方向的夹角。

定义γ₁＝L₁/L₀，γ₂＝L₂/L₀，其中γ₁表示不同变量的取值对应不同的一级六边形蜂窝结构，γ₂表示不同变量的取值对应不同的二级六边形蜂窝结构。

上述这些变量会影响到芯体结构的屈服强度、等效弹性模量等力学属性，对其吸能、抗冲击、减震缓冲、隔热隔音等特性也会产生影响。

根据多级蜂窝结构尺寸关系，胞元尺寸必须满足关系式：

一级蜂窝结构中，0≤L₁≤L₀/2，0≤γ₁≤0.5；

二级蜂窝结构中0≤L₂≤L₁，L₂≤L₀/2-L₁。

设计一级蜂窝结构和二级蜂窝结构时，其尺寸大小必须满足上述不等式。

图5～图9为不同变量参数下的多级蜂窝芯体的结构示意图。图5为γ₁取0.3时的一级四边形蜂窝结构的三维图和俯视图。图6为γ₁取0.3，θ取30°时一级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图。图7为γ₁取0.3，γ₂取0.12，θ取30°时的二级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图。图8为γ₁取0.3，θ取10°时一级六边形蜂窝结构的三维图和俯视图。如图9所示，γ₁取0.3，θ取-20°时一级六边形蜂窝结构三维图和俯视图。从上述图中对比可以发现，不同等级之间芯体结构相差较大，不同θ取值和不同胞元形状对芯体的结构影响也较大。

具体的，如图5所示，不同结构中，三维图中面内方向(X-Y方向)，面外方向(Z方向)力学性能和吸能、抗冲击、减震缓冲、隔热隔音等特性相差较大，根据需求，三明治结构中的夹芯在不同应用领域采用不同受力方向。

具体的，如图6～图7所示，当三明治结构采用该类多级六边形蜂窝结构时，采取面外方向(Z方向)安装，在面外方向有更好的抗冲击、减震缓冲、吸能特性。如图1所示的三明治平板结构，可以应用于建筑、交通等领域，如高层建筑幕墙、房屋的天花板和火车的舱壁、地板等。

如图9所示，γ₁取0.3，θ取-20°时一级六边形蜂窝结构。当六边形斜边与竖直方向的夹角θ为负值时，在面内方向(X-Y方向)上，多级蜂窝结构具有负泊松比效应，该类结构具有特殊的力学性能，与传统的负泊松比蜂窝结构相比，结构的剪切模量和断裂韧性加强、压痕阻力加强、同向曲率变形行为增加等，并且具有更好的能量吸收和抵抗冲击能力。当三明治结构采用该类多级六边形蜂窝结构时，采取面内方向(X-Y方向)安装，充分利用其负泊松比效应。如图2、图3所示的三明治结构，在汽车和航空航天等领域具有广泛的应用前景，如汽车中的轻型防撞吸能结构保险杠等与负泊松比非充气轮胎、航天运载器和防爆吸能结构等。

如图10所示，以γ₁取0.3，θ取30°的一级六边形蜂窝结构为例的功能负梯度材料，在面内方向(X-Y方向)上，厚度t由受载端往非受载端均匀递减，称为多级功能负梯度蜂窝结构；厚度t由受载端往非受载端均匀递增时，称为多级功能正梯度蜂窝结构。在面内方向(X-Y方向)上，可以根据实际冲击响应，改变多级结构的胞元形状参数和厚度变化梯度等，设计出性能良好的多级功能梯度蜂窝。研究发现，经过良好设计的多级功能负梯度蜂窝结构，不仅可以吸收足够的冲击能量，同时还能保持较低的冲击应力水平，具有更好的吸能和压溃变形等效果，在防冲击和安全防护上比传统功能梯度蜂窝具有更好的应用价值。

图11为传统六边形蜂窝、一级六边形蜂窝和二级六边形蜂窝结构面外方向压缩后的力-位移曲线，图中横坐标为Displacement(位移)，单位为mm，纵坐标为Force(力)，单位为KN。曲线通过有限元软件LS-DYNA进行仿真计算得到。仿真时，蜂窝材料选择金属铝，蜂窝板大小5×5，压溃速度为10m/s，L₀取20mm，三明治结构厚度为100mm，一级蜂窝结构γ₁取0.3，θ取30°，二级蜂窝结构γ₁取0.3，γ₂取0.12，θ取30°。仿真结果列于表一中。

表一：各个等级蜂窝结构仿真结果

对比传统蜂窝结构和多级蜂窝结构，在相同质量下，受到相同速度碰撞，压溃相同距离之后的比吸能，发现一级六边形蜂窝结构比传统六边形蜂窝结构吸能提高63％，二级六边形蜂窝结构比传统蜂窝结构吸能提高122％，并且传统六边形蜂窝结构与多级六边形蜂窝结构峰值力相差不大。表明多级蜂窝结构芯体夹层板比传统蜂窝结构芯体夹层板具有更好的吸能特性。

上面是以多级六边形蜂窝结构芯体为例来说明其具体结构和性能的，对于其它多级蜂窝结构(如多级四边形蜂窝结构、多级三边形蜂窝结构)的芯体，其设计原理与上述多级六边形蜂窝结构芯体类似，这里不再详细说明。

本发明通过多级蜂窝结构芯体让三明治平面板、三明治曲面板和三明治管材等三明治结构的吸能效率更高，保温性，隔热性能，隔音性能更好，多功能综合性质更强。满足了航天、航海等高科技行业的需求。此外，本实施例方案仅仅是以一级、二级六边形蜂窝结构为例，更高等级多级蜂窝结构，其力学、隔热隔音、吸能等各项性能更好。该类多级蜂窝结构芯体不仅可以应用于三明治板材和三明治管材的芯体，亦可应用于各类管中做为填充物。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但以上实施例只是本发明一部分，本发明不限于上述实施方式，任何熟悉本专业的技术人员在没有做出创造性劳动前提下，基于本发明技术方案对上述实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，都落入本发明的保护范围内。本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (8)

1.一种三明治结构，其包括第一夹层、第二夹层以及位于其之间的芯体，其特征在于，所述芯体为多级蜂窝结构；

所述多级蜂窝结构中，在胞元边长为L₀的当前级蜂窝结构中每两条或者三条边的交点处用边长为L₁多边形替换形成下一级蜂窝结构；其中L₁<L₀。

2.根据权利要求1所述的三明治结构，其特征在于，

所述第一夹层和第二夹层为平面板；

或者，

所述第一夹层和第二夹层为曲面板；

或者

所述第一夹层和第二夹层为管材。

3.根据权利要求1或2所述的三明治结构，其特征在于，所述多级蜂窝结构包括：

六边形多级蜂窝结构、四边形多级蜂窝结构或者三边形多级蜂窝结构。

4.根据权利要求3所述的三明治结构，其特征在于，

所述第一夹层上设置有减重孔；

和/或，

所述第二夹层上设置有减重孔。

5.根据权利要求1所述的三明治结构，其特征在于，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t由上往下均匀递增或者递减；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递增；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递减；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构中的单个胞元结构的多边形斜边与竖直方向的夹角为负。

6.一种蜂窝结构芯体，其特征在于，所述蜂窝结构为多级蜂窝结构，所述多级蜂窝结构中，在胞元边长为L₀的当前级蜂窝结构中每两条或者三条边的交点处用边长为L₁多边形替换形成下一级蜂窝结构；其中L₁<L₀。

7.根据权利要求6所述的蜂窝结构芯体，其特征在于，所述多级蜂窝结构包括：

六边形多级蜂窝结构、四边形多级蜂窝结构或者三边形多级蜂窝结构。

8.根据权利要求6或7所述的蜂窝结构芯体，其特征在于，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t由上往下均匀递增或者递减；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递增；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构的胞元厚度t从受载端向非受载端均匀递减；

或者，

所述多级蜂窝结构的每一层蜂窝结构中的单个胞元结构的多边形斜边与竖直方向的夹角为负。