CN105128412A - 具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，该夹芯结构的芯体由蜂窝芯体与网格增强部分构成，面板由金属材料或复合材料组成。对于这种夹芯结构，面板提供较高的结构抗弯性能和平整的表面；芯体中的网格增强部分负责提供结构拉压性能尤其是压缩性能，蜂窝部分负责提高结构的能量吸收性能并确保面板和芯体之间的粘接效果。该夹芯结构通过三种材料之间的协同作用，避免结构的局部屈曲破坏和界面分层破坏，取得优异的结构力学性能，可用于航空航天结构、高速列车车身等对结构重量要求较高的工程结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种夹芯结构，尤其是能够以较小重量取得较强结构力学性能的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构。
背景技术
目前公知的夹芯结构，由蒙皮和被蒙皮覆盖的芯体组成，常见的芯体具有蜂窝芯体、泡沫芯体、点阵芯体等微观结构形式。夹芯结构的蒙皮和芯体均可以使用金属、高分子、复合材料等材料。在结构服役过程中，蒙皮负责提供承受大部分弯曲载荷，并提供平整的结构表面；芯体负责承受出平面载荷、以及传递结构内部的剪切力。随着高速列车、大尺寸航天器等重大装备的快速发展，结构的服役环境日趋严酷，普通夹芯结构常因为芯体局部屈曲或界面分层而丧失承载能力。
发明内容
本发明提供了一种具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构设计，该夹芯结构采用具有周期性特征的网状空间杆系结构对芯体进行增强，利用壁厚远大于蜂窝芯体的杆系结构提高局部抗弯刚度，避免结构因局部屈曲而发生破坏。实验及数值模拟结果显示，该夹芯结构通过面板、蜂窝芯体以及网格增强部分之间的协同作用，避免结构的局部屈曲破坏和界面分层破坏，取得优异的结构力学性能。
本发明的技术方案如下：
一种具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，该夹芯结构由中间的芯体及覆盖芯体的上、下两层面板构成；芯体由蜂窝芯体与网格增强部分构成；网格增强部分由多根杆件从两个或多个方向按规律组成，形成的网状空间杆系结构，蜂窝芯体位于网状空间杆系结构的空穴中。
所述的夹芯结构包含上、下两层蒙皮，蒙皮的材质为金属材料或由碳、玻璃和陶瓷制成的复合材料；当蒙皮为复合材料时，使用热固性树脂或热塑性树脂作为粘接基体。
所述的芯体中网格增强部分的材质为金属材料或由碳纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维制成的复合材料；网格增强部分选用正交、三角形或Kagome构型；网格增强部分的单胞的边长不小于蜂窝芯体单胞边长的4倍；网格增强部分单一杆件的宽度应不小于蜂窝芯体壁厚的3倍。
所述的蜂窝芯体使用金属、纤维纸或高分子材料制成；或使用开孔泡沫、闭孔泡沫、点阵结构形式代替蜂窝形成芯体。
所述的夹芯结构根据工程需要制成板、桥或梁结构形式。
一种具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构的加工方法，首先采用粘接或电镀方法将网格增强部分与一层蒙皮固定，将蜂窝芯体填入网格增强部分的空穴中，最后再采用粘接或电镀方法将另一层蒙皮固定，制成所需的夹芯结构；对于选择金属材料制造网格增强部分的夹芯板，然后按下蒙皮、网格增强部分、蜂窝芯体、上蒙皮的顺序进行铺装，整体一次性成型。
本发明的有益效果是：
1、与目前公知的蜂窝芯体夹芯结构相比，本发明提出的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构可以有效避免局部屈曲破坏和界面分层破坏，通过面板、蜂窝芯体与网格增强三部分之间的相互作用，从而提高结构的刚度、比刚度、强度、比强度、能量吸收性能、能量吸收密度等力学性能，并控制结构的重量。
2、本发明网格增强部分的高度原则上与蜂窝芯体相同，夹芯结构尺寸无明显变化；制造过程中首先根据各部分材料采用粘接或电镀方法将网格增强部分与一层蒙皮固定，之后将蜂窝芯体填入网格增强部分的空穴中，最后再采用粘接或电镀方法将另一层蒙皮固定，制成所需的夹芯结构；对于选择金属材料制造网格增强部分的夹芯板，可以直接在操作台上按下蒙皮、网格增强部分、蜂窝芯体、上蒙皮的顺序进行铺装，并整体一次性成型。前述加工过程与现有结构无明显区别，方便在现有设计基础上进行改进
3、本发明适用范围较广，可用于高速列车车身、航空航天装备等领域；并可以根据结构尺寸和载荷水平，可进行面板、芯体等部分的材料设计和尺寸设计，选用不同的基体材料、铺设方式，使结构的力学性能满足要求。
4、本发明设计的夹芯结构采用蜂窝芯体，具有较好的吸声效果；同时可以选用复合材料制造面板和网格增强部分，使夹芯结构具有隐身功能。
附图说明
图1是本发明网格增强芯体夹芯结构示意图。
图中：黑色实心表示面板，黑边白心表示网格增强部分，细实线表示蜂窝壁板。
图2是本发明网格增强蜂窝芯体的平面图。
图中：粗实线表示网格增强部分的杆系，细实线表示蜂窝壁板。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
如图1，图中：黑色实心表示面板，黑边白心表示网格增强部分，细实线表示蜂窝壁板。夹芯板的芯体被上下两层面板覆盖，网格增强部分的高度与蜂窝芯体相同，面板、蜂窝芯体与网格增强部分共同组成具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板。
如图2，图中：粗实线表示网格增强部分的杆系，细实线表示蜂窝壁板，网格状杆系与蜂窝共同组成芯体。
具体实施例一：总长180mm、总宽46mm、总高度14mm的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板；其上下面板各高(厚)1mm，由面密度为200g/m2的RC200T2×2斜纹编制碳纤维与环氧树脂制成复合材料；铝蜂窝芯体孔径为6.35mm，蜂窝壁厚为0.06mm，高度为12mm；网格增强部分使用6060T5铝材，制成12mm×3mm横截面的杆，再组成横向杆心间距43mm、纵向杆心间距23mm的正交杆系。前述材料按下蒙皮、网格增强部分、蜂窝芯体、上蒙皮的顺序进行铺装，并整体一次性共固化成型。跨长为125mm的三点弯曲实验结果显示：本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的抗弯刚度为9910N*m，而仅使用前述蜂窝材料作为芯体的夹芯板的抗弯刚度仅为3143N*m，即本发明使结构抗弯刚度提高215％；本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的比抗弯刚度为121157N*m/kg，而蜂窝夹芯板的比抗弯刚度为98233N*m/kg，即本发明使结构比抗弯刚度提高23％；本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的极限弯曲载荷为5.26kN，而蜂窝夹芯板的极限弯曲载荷为1.13kN，即本发明使结构极限弯曲载荷提高365％；本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的比极限弯曲载荷为63.75N/g，而蜂窝夹芯板的比极限弯曲载荷为35.31N/g，即本发明使结构的比极限弯曲载荷提高80％；本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的能量吸收性能为176J，而蜂窝夹芯板的能量吸收性能为29J，即本发明使结构的能量吸收性能提高499％；本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的能量吸收性能为2.13J/g，而蜂窝夹芯板的能量吸收性能为0.91J/g，即本发明使结构的能量吸收性能提高132％。综上所述，弯曲载荷下本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的各项力学性能明显优于传统夹芯结构。
具体实施例二：总高83mm、总宽46mm、总厚度14mm的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板；其上下面板各厚1mm，由面密度为200g/m2的RC200T2×2斜纹编制碳纤维与环氧树脂制成复合材料；铝蜂窝芯体孔径为6.35mm，蜂窝壁厚为0.06mm，厚度为12mm；网格增强部分使用6060T5铝材，制成12mm×3mm横截面的杆，再组成横向杆心间距43mm、纵向杆心间距23mm的正交杆系。前述材料按下蒙皮、网格增强部分、蜂窝芯体、上蒙皮的顺序进行铺装，并整体一次性共固化成型。面内压缩实验结果显示：本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的压缩刚度为52.59kN/m，而仅使用前述蜂窝材料作为芯体的夹芯板的压缩刚度仅为5.92kN/m，即本发明使结构压缩刚度提高788％；本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的比压缩刚度为1383kN/m/g，而蜂窝夹芯板的比压缩刚度为400kN/m/g，即本发明使结构比压缩刚度提高246％；本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的极限压缩载荷为22.01kN，而蜂窝夹芯板的极限压缩载荷为9.91kN，即本发明使结构极限压缩载荷提高122％。综上所述，面内压缩载荷下本发明具有网格增强蜂窝芯体的夹芯板的各项力学性能明显优于传统夹芯结构。
Claims (10)
1.一种具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，其特征在于，该夹芯结构由中间的芯体及覆盖芯体的上、下两层面板构成；芯体由蜂窝芯体与网格增强部分构成；网格增强部分由多根杆件从两个或多个方向按规律组成，形成的网状空间杆系结构，蜂窝芯体位于网状空间杆系结构的空穴中。
2.根据权利要求1所述的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，其特征在于，所述的夹芯结构包含上、下两层蒙皮，蒙皮的材质为金属材料或由碳、玻璃和陶瓷制成的复合材料；当蒙皮为复合材料时，使用热固性树脂或热塑性树脂作为粘接基体。
3.根据权利要求1或2所述的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，其特征在于，所述的芯体中网格增强部分的材质为金属材料或由碳纤维、玻璃纤维和陶瓷纤维制成的复合材料；网格增强部分选用正交、三角形或Kagome构型；网格增强部分的单胞的边长不小于蜂窝芯体单胞边长的4倍；网格增强部分单一杆件的宽度应不小于蜂窝芯体壁厚的3倍。
4.根据权利要求1或2所述的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，其特征在于，所述的蜂窝芯体使用金属、纤维纸或高分子材料制成；或使用开孔泡沫、闭孔泡沫、点阵结构形式代替蜂窝形成芯体。
5.根据权利要求3所述的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，其特征在于，所述的蜂窝芯体使用金属、纤维纸或高分子材料制成；或使用开孔泡沫、闭孔泡沫、点阵结构形式代替蜂窝形成芯体。
6.根据权利要求1、2或5所述的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，其特征在于，所述的夹芯结构根据工程需要制成板、桥或梁结构形式。
7.根据权利要求3所述的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，其特征在于，所述的夹芯结构根据工程需要制成板、桥或梁结构形式。
8.根据权利要求4所述的具有网格增强蜂窝芯体的夹芯结构，其特征在于，所述的夹芯结构根据工程需要制成板、桥或梁结构形式。
9.权利要求1、2、5、7或8所述夹芯结构的加工方法，其特征在于，首先采用粘接或电镀方法将网格增强部分与一层蒙皮固定，将蜂窝芯体填入网格增强部分的空穴中，最后再采用粘接或电镀方法将另一层蒙皮固定，制成所需的夹芯结构；对于选择金属材料制造网格增强部分的夹芯板，然后按下蒙皮、网格增强部分、蜂窝芯体、上蒙皮的顺序进行铺装，整体一次性成型。
10.权利要求6所述夹芯结构的加工方法，其特征在于，首先采用粘接或电镀方法将网格增强部分与一层蒙皮固定，将蜂窝芯体填入网格增强部分的空穴中，最后再采用粘接或电镀方法将另一层蒙皮固定，制成所需的夹芯结构；对于选择金属材料制造网格增强部分的夹芯板，然后按下蒙皮、网格增强部分、蜂窝芯体、上蒙皮的顺序进行铺装，整体一次性成型。
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