CN105398100A - 一种蜂窝夹层板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝夹层板，包括上面板、下面板以及中间的蜂窝格栅，所述蜂窝格栅为六边形、四边形或三角形栅格，在所有蜂窝格栅的每个角内设置有圆弧片，公用一个边的所有蜂窝栅格上的以该公用边为顶点的角内的圆弧片连接成一个圆筒，该圆筒的端面与圆筒所在位置的蜂窝栅格的端面平齐并连成一体。本发明夹层板结构有效增强了蜂窝板的抗压性能，抗弯性能以及弹性变形性能。最终可得到重量轻、强度高的夹层板，适用于建筑大跨屋顶、外墙结构、汽车以及航空航天等领域。

Description

一种蜂窝夹层板

技术领域

本发明涉及一种蜂窝板，属于中空板材加工技术领域。

背景技术

在节能环保已经成为产品主要评价指标的今天，新型轻型结构的研究受到人们的重视。蜂窝夹芯板以其重量轻、刚度大、可设计性强等特点成为航空、航天、铁路、汽车、建筑等领域不可缺少的结构之一。由于一开始制作成本较高，上世纪50年代起主要用于航空航天领域。后随着科技进步，工艺方法的改进逐渐应用到其他工业领域。制作蜂窝板的材料有纸质、复合材料、金属等。蜂窝板轻质高强的特点主要由于其中间芯层为薄壁结构。但自蜂窝板使用以来，可能是因为蜂窝壁薄已经很薄(如铝的，纸质的，有的在0.01毫米以下)，对于薄壁蜂窝结构几乎没有改进，有改进的大多是新型复合材料的蜂窝板，如手征蜂窝板，一体化蜂窝板。因此，几十年来薄壁蜂窝芯结构，基本是单纯的蜂窝芯层结构，或者只是六边，方格等形状的变化，或尺寸大小的变化，而几乎没有对蜂窝芯的结构进行改进，从而导致其各项力学性能没有提高，没有紧跟现代科技的发展、开拓出蜂窝板更大的应用潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，受一些生物的蜂窝结构中存在小柱—它的外层为纤维，芯层为蛋白质的启发，提炼出蜂窝—圆筒结构模型，并通过计算验证，提供一种在相同质量下力学性能更优的蜂窝板。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种蜂窝夹层板，包括上面板、下面板以及中间的蜂窝格栅，所述蜂窝格栅为六边形、四边形或三角形栅格，其特征在于：在所有蜂窝格栅的每个角内设置有圆弧片，公用一个边的所有蜂窝栅格上的以该公用边为顶点的角内的圆弧片连接成一个圆筒，该圆筒的端面与圆筒所在位置的蜂窝栅格的端面平齐并连成一体。且栅格的边长和内接圆的直径均可根据实际工程的需求而改变。

所述圆筒的半径是所述蜂窝栅格边长的1/4～1/2，所述圆筒的厚度是所述蜂窝栅格厚度的0.5～2倍。具体倍数根据实际工程取用。

在所述圆筒的一端设置有用于所述蜂窝栅格的边插入的第一卡槽，在所述蜂窝栅格的边上设置有用于所述圆筒插入的第二卡槽。

所述圆筒由分别固定于每个蜂窝栅格内的圆弧片构成。

所述圆筒与所述蜂窝栅格一体成型。

所述上面板为平面板或曲面板。

所述下面板为平面板或曲面板。

本发明蜂窝夹层板是一种中间为多边形格栅的夹层强化板。包括上面板、下面板以及中间层格栅。在所有格栅交汇处，均设置有以交汇线为中心、与蜂窝格栅固连于一体的圆筒，该圆筒的端面与圆筒所在位置的蜂窝栅格的端面平齐并连成一体，且栅格的边长和内接圆的直径均可根据实际工程的需求而改变。圆筒亦可以根据实际工程选择在每个多边形格栅中设置一个或多个。多边形格栅结构可以是正六边形格栅，也可以是其他多边形，并由这些格栅紧密排列而成。蜂窝状是其中的一种结构形式。制作蜂窝板的材料可以根据实际工程需求采用金属、纸质等。由上述可知，用带有圆筒的蜂窝结构制造成的夹层板相比于传统夹层板，可明显提高其抗压性能，抗弯性能以及弹性变形性能，是一种重量轻，强度高的仿生结构。实际上，很多蜂窝板中间芯层的蜂窝壁厚度相对于面板来说是较薄的。而本发明可以提高传统蜂窝板的力学性能，特别是薄壁蜂窝板。因此本发明具有很广的应用前景。可用于建筑大跨屋顶、外墙结构、船舶、汽车以及航空航天等领域。

本发明在蜂窝壁交汇处设置圆筒结构，该结构起到以下三个强化作用：1、圆筒结构相对于等截面的蜂窝壁具有更好的力学性能；2、圆筒结构提高了蜂窝面板的平面外约束，增强了面板本身的抗弯性能；3、圆筒结构对与其连接的蜂窝壁及蜂窝壁交汇处产生约束，从而提高蜂板的力学性能。所以本发明蜂窝夹层板可以有效提高蜂窝板的抗压性能，抗弯性能以及弹性变形性能等各项力学性能指标。申请人对上述圆筒—蜂窝板结构进行三维有限元解析得，在蜂窝板质量和体积相同的条件下，圆筒—蜂窝板结构的各项力学性能相较于传统薄壁蜂窝板平均可提高15％，部分力学性能可提高30～40％。

附图说明

图1为本发明结构与尺寸示意图；其中(a)透视图，(b)俯视图；

图2为图1中芯层与底板的结构示意图；

图3为压缩模型及压缩试验示意图；

图4为压缩试验荷载—位移曲线；

图5为弯曲模型及弯曲试验示意图；

图6为弯曲试验荷载—位移曲线；

图7为卡扣法制作圆筒蜂窝板示意图；

图8为黏贴法制作圆筒蜂窝板示意图；

图9为蜂窝格栅是其他多边形的情况；其中(a)蜂窝格栅为四边形，(b)蜂窝格栅为三角形。

其中：1为下面板；2为圆筒；3为蜂窝壁；4为上面板；5为第一卡槽；6为第二卡槽；7为圆弧片。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

图1所示，本发明蜂窝夹层板，包括上面板4、下面板1、中间的蜂窝格栅以及圆筒2。在本实施例中，蜂窝格栅为正六边形格栅，正六边形格栅的每个边为蜂窝壁3。在平面内，所有相邻正六边形均有一个公共边，所有相邻正六边形均有两个公共端点，这两个公共端点位于公共边的两端，在相邻两格栅的两公共端点上设置有以该端点为中心、且分布在以该端点为交点的三个六边形栅格内的圆筒结构，该圆筒的端面与连接的六边形栅格的端面平齐，且格栅边长和内接圆直径可根据实际工程的需求而改变。上面板和下面板均可以为平面板或曲面板。

圆筒的半径是所述蜂窝栅格边长的1/4～1/2，圆筒的厚度是所述蜂窝栅格厚度的0.5～2倍。具体倍数根据实际工程取用。

现阶段传统蜂窝板的制作方法主要有张拉法、黏贴法和一体成型三种方式。本发明圆筒蜂窝板的制作方法在传统蜂窝板制作的基础上进行改进，现提出三种制作方法：

1卡扣法：根据蜂窝板的尺寸要求，在蜂窝壁上预留第一卡槽5。在蜂窝壁交汇处的圆筒2亦在相应位置预留第二卡槽7。先依据传统蜂窝板的制作方式(张拉法和粘贴法)制成蜂窝板，然后将预制好的圆筒构件通过第二卡槽7与蜂窝板连接(如图7)。为保证其二者共同作用，可在卡扣圆筒之前将胶水涂抹在第一卡槽和第二卡槽处以保证其连接。

2粘贴法：蜂窝板的制作方式与卡扣式相同。不同的是制作圆筒构件时将圆筒2进行等分处理成圆弧片8。待传统蜂窝板制作完成后，通过胶水将圆弧片8与蜂窝壁连接(如图8)。

3一体成型：对于很多特殊行业或领域，例如航空航天、汽车制造、船舶以及对蜂窝板整体性能要求比较高的行业，可使用一体成型的方法制作圆筒蜂窝板以保证其良好的力学性能。并且根据前述对圆筒蜂窝板抗弯性能的分析，一体成型的蜂窝板具有良好的变形耗能以及抵抗动荷载或疲劳荷载的作用。

蜂窝板的模型示意图如图1，2所示。本说明书中的蜂窝板尺寸依据建筑行业中大跨屋盖结构设置，采用材料为7075铝合金，在每个格栅交汇处都设置圆筒。详细尺寸见表1和表2。其中R，r分别指正六边形内切圆半径、小柱半径；T，t分别指圆筒厚度、蜂窝壁厚度；H，h分别指蜂窝板整体高度和芯层高度；B，L分别指蜂窝板的宽度和长度。

表1蜂窝板压缩模型尺寸(单位mm)

模型种类	R	t	r	T	h	L	B	H
									模型1	3	0.1	0	0	8	230	60	10
模型2	6	0.1	2	0.1	8	230	60	10

表2蜂窝板弯曲模型尺寸(单位mm)

模型种类	R	t	r	T	h	L	B	H
									模型1	3	0.1	0	0	8	60	60	10
模型2	6	0.1	2	0.1	8	60	60	10

使用非线性功能十分强大的有限元分析软件ABAQUS对传统蜂窝板(模型1)和圆筒蜂窝板(模型2)进行压缩和四点弯曲试验模拟。通过对蜂窝板施加位移荷载，速度为0.1mm/min，得到两种蜂窝板的荷载—位移曲线。其中压缩试验根据以上数据算出的抗压刚度和压缩强度来说明圆筒蜂窝板与传统蜂窝板的压缩性能；四点抗弯试验的模拟跨距统一为210mm，荷载加载位置在跨距的三等分点处。根据以上数据算出蜂窝板的比强度与抗弯强度来说明圆筒蜂窝板与传统蜂窝板的弯曲性能。在蜂窝板建模时已保证两种蜂窝板芯层与面板的体积相同，故而上述四个性能指标均是在两种蜂窝板同质量、同体积的情况下比较的，除了芯层结构之外，其他因素均相同，因此更具有代表性。

通过ABAQUS解析(见图3压缩模型)，以0.1mm/min的速度沿着垂直蜂窝板面的方向对蜂窝板加位移荷载并将蜂窝板底板固定，取荷载—位移曲线如图4所示，并根据公式1,2计算压缩状态下的抗压刚度和抗压强度。

$K=\frac{F}{D}---1$

$\mathrm{\σ}=\frac{F_{max}}{A}---2$

式中：K—抗压刚度，单位N/m

F—弹性变形的荷载最大值，单位N

D—弹性变形的最大位移，单位m

A—蜂窝上面板面积，单位m²

σ—压缩应力，单位Pa

F_max—压缩时的最大荷载值，单位N

抗压刚度是指物体在外力作用下抵抗压缩变形的能力，由使其产生单位变形所需的外力值来量度。本次解析中抗压刚度值等于荷载—位移曲线上线性部分的斜率。抗压强度是指物体在外力作用下抵抗压缩破坏的能力，其中F_max取得是压缩时的最大荷载。

表3压缩试验数据

模型种类	R	t	r	T	h	L	B	H	K(MN/mm)	σ(MPa)
											模型1	3	0.1	0	0	8	60	60	10	1.095	12.250
模型2	6	0.1	2	0.1	8	60	60	10	1.259	13.949

图4为有限元软件解析得到的荷载—位移曲线图。并以此算出圆筒蜂窝板与传统蜂窝板的抗压刚度与抗压强度。由表3可得，圆筒蜂窝板的上述两项指标分别比传统蜂窝板提高15.0％，13.9％。并且由图4可得，当两种蜂窝板达到极限荷载后，圆筒蜂窝板的曲线下降幅度比传统蜂窝板小很多。当位移达到0.5mm时，两种蜂窝板能承受的荷载值相差45％。说明圆筒蜂窝板即使发生了较大位移，相对于传统蜂窝板来说依然能够承受较大的荷载。

通过ABAQUS解析(见图5弯曲模型)，以0.1mm/min的速度沿着垂直蜂窝板面的方向对蜂窝板加位移荷载，取荷载—位移曲线如图6所示，并根据公式3,4计算弯曲状态下弹性范围内的比强度以及破坏时的抗弯强度。

$S=\frac{P}{\mathrm{\ρ}}---3$

$\mathrm{\σ}=\frac{3F_{\max }l}{2{\mathrm{BH}}^2}---4$

式中：S—比强度，单位N·m/kg

P—弹性变形的荷载最大值，单位N

—蜂窝板等效密度，单位N·m/kg；其中t_f为面板厚度，δ_c为蜂窝壁厚度，a为单个蜂窝壁长度，h蜂窝芯层高度，ρ_f蜂窝板材料密度，由于两种蜂窝板的芯层体积相同，因此ρ取相同的值

σ—弯曲应力，单位Pa

F_max—受弯时总的最大荷载，单位N

B—蜂窝板宽度，单位m

H—蜂窝板高度，单位m

比强度是指在质量相当的情况下结构的承载能力，其值越大，表示性能越好。由于两种蜂窝板最主要的不同体现在弹性阶段，如图6所示，曲线中的黑点表示传统蜂窝板和圆筒蜂窝板由弹性阶段进入塑性阶段的转折点。可以看出：传统蜂窝板在弯曲变形时的弹性应变量为4.8％，而圆筒蜂窝板则为7.3％。即圆筒蜂窝板的弹性变形能力是传统蜂窝板的1.5倍。意味着圆筒蜂窝板除了拥有更好的抗弯性能之外，还具有良好的变形耗能和抵抗动荷载的能力。故而比强度中的荷载取弹性变形时的荷载最大值。抗弯强度是指物体在外力作用下抵抗弯曲破坏的能力，取破坏时的荷载最大值。

表4弯曲试验数据

模型种类	R	t	r	T	h	L	B	H	S(N·m/kg)	σ(MPa)
											模型1	3	0.1	0	0	8	230	60	10	7.63	378.5
模型2	6	0.1	2	0.1	8	230	60	10	10.81	423.8

图6为有限元软件解析得到的荷载—位移曲线图。并以此算出圆筒蜂窝板与传统蜂窝板在弹性状态下的比强度以及破坏时的抗弯强度。由表4可得，圆筒蜂窝板的上述两项指标分别比传统蜂窝板提高41.7％，12.0％。由上述比较可明显得出：圆筒蜂窝板相对于传统蜂窝板有更好的抗弯性能。更重要的是，圆筒蜂窝板拥有更好的弹性变形能力。可以预见，该蜂窝板在动力学上的性能(抗疲劳能力、抗变形能力、抵抗震动荷载的能力等)将会有卓越的表现。

Claims (7)

1.一种蜂窝夹层板，包括上面板、下面板以及中间的蜂窝格栅，所述蜂窝格栅为六边形、四边形或三角形栅格，其特征在于：在所有蜂窝格栅的每个角内设置有圆弧片，公用一个边的所有蜂窝栅格上的以该公用边为顶点的角内的圆弧片连接成一个圆筒，该圆筒的端面与圆筒所在位置的蜂窝栅格的端面平齐并连成一体。

2.根据权利要求1所述的蜂窝夹层板，其特征在于：所述圆筒的半径是所述蜂窝栅格边长的1/4~1/2，所述圆筒的厚度是所述蜂窝栅格厚度的0.5~2倍。

3.根据权利要求1或2所述的蜂窝夹层板，其特征在于：在所述圆筒的一端设置有用于所述蜂窝栅格的边插入的第一卡槽，在所述蜂窝栅格的边上设置有用于所述圆筒插入的第二卡槽。

4.根据权利要求1或2所述的蜂窝夹层板，其特征在于：所述圆筒由分别固定于每个蜂窝栅格内的圆弧片构成。

5.根据权利要求1或2所述的蜂窝夹层板，其特征在于：所述圆筒与所述蜂窝栅格一体成型。

6.根据权利要求1所述的蜂窝夹层板，其特征在于：所述上面板为平面板或曲面板。

7.根据权利要求1所述的蜂窝夹层板，其特征在于：所述下面板为平面板或曲面板。