CN105774052B - 多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料，在第一面板和第二面板之间，设置有若干个由多块曲面体同向重叠构成的吸能柱胞，最上面一块曲面体的外侧与第一面板的内侧面接触或连接，至少一块曲面体与第二面板的内侧面接触或连接；曲面体是薄壁空心结构。本发明的夹芯复合材料，吸能密度高，在同厚度尺寸条件下，通过多级变形吸能，变形程度越大，则吸能效能越高；多层曲面体变形具有渐进吸能优点，并且避免了其他柱胞类型内应力峰值较高对支撑结构产生的负面影响，柱胞结构承受冲击荷载的内应力随变形逐步加大，不会出现较大内应力峰值突然增加情况；易于加工制作，易于进行工业化生产。

Description

多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料

技术领域

本发明涉及吸能式夹芯复合材料，尤其是由多层叠加曲面体形成的多级吸能式柱胞式夹芯复合材料。

背景技术

工业生产、装备制造、航天航空以及军事防护等对于轻质、高强、吸能、减振的新型复合材料需求越来越高。夹芯材料一般是由两层高强度薄面板和中间轻质芯层通过焊接或胶接等而成，它既结合了面板材料抗弯曲、拉伸能力强和芯层材料塑性变形吸能的优势，又利用了夹芯结构轻质、比强度高、比刚度大和吸能减振等优点，是一种功能一体化结构材料，在上述领域得到快速发展。

夹芯材料按照芯层的种类可分为1、聚合物夹芯复合材料，2、泡沫铝夹芯复合材料，3、点阵夹芯材料等类型等三类。

1、聚合物夹芯复合材料：聚合物泡沫材料是一种最常见的芯层材料，主要有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）、聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）、聚醚酰亚胺（PEI）和丙烯腈-苯乙烯（SAN或AS）[8]。其中，硬质聚氨酯（RPUR）泡沫材料，能够通过自身显著的塑性压缩缓和冲击、降低应力幅值，且在一定应变率范围内，随着应变率的增加，屈服强度逐渐增加。但是聚合物泡沫材料强度偏低，冲击荷载下的应力应变率小，相同厚度尺寸下的吸能率小，吸能性能较有限。

2、泡沫铝夹芯复合材料：泡沫铝夹芯复合材料是在两层金属面板中间填充一层泡沫铝材料的复合吸能材料。该种复合材料常使用钢板、铝合金板等材料作为上下面板以提高结构承载强度，并利用泡沫铝材料冲击波阻抗较低的特点，在冲击荷载作用下产生塑性变形被压实，从而大大地削弱应力波强度。虽然泡沫铝作为吸能材料越来越受到人们的关注，但其吸能性能的稳定受孔径分布影响较大，当孔径的分布不均匀时可能导致局部区域出现应变较低但应力集中的现象，局部应力超过了泡沫铝基体材料的屈服应力，最终导致早期的局部塑性失稳，难以保持变形过程中应力均匀、稳定，且泡沫铝材料价格较高，也限制其应用范围。

3、点阵夹芯材料。

点阵材料是一种具有有序微结构的多孔材料，其特点是体密度小、比表面积大、比力学性能高等。将其作为芯层的点阵夹芯材料在爆炸冲击波荷载作用下因结构动态失稳而产生巨大的塑性变形，可有效地耗散冲击波能量，因而具有良好的抗爆炸冲击性能。根据点阵材料的结构形式，可将点阵夹芯复合材料分为二维和三维点阵夹芯材料。二维点阵夹芯材料其芯层结构主要由平面多边形经垂直平面方向拉伸而成。三维点阵夹芯材料其芯层结构主要由杆、板、柱胞等微元件按一定规则排列而成。

（1）拓扑构型夹芯材料

拓扑构型夹芯材料是以杆为微元件的三维点阵夹芯材料，是一种通过模拟分子点阵构型而设计的含静定/静不定的多孔有序微结构材料，其常见的几何构型包括括Kagomé结构、金字塔结构、四面体结构等。拓扑构型点阵材料其比强度、比刚度要高于常用蜂窝材料，且承载能力较强，同时在冲击荷载作用下，能够通过芯层杆件的屈曲、分层、断裂等较大的变形有效地吸收冲击波能量。

在单位质量冲击能量较大时，四面体结构夹芯材料比蜂窝夹芯材料更具有优势，尤其是金字塔结构夹芯材料吸能特性更优异。但是拓扑构型夹芯材料的加工难度大，尤其是金字塔结构夹芯材料的加工复杂制约其广泛应用。

（2）波纹夹芯材料

波纹夹芯材料是一种常见的三维点阵夹芯材料，其芯层是以板为微元件构成，只沿某一方向规则排列，纵截面形似波纹状，再复合上下两层轻质面板。常见波纹芯层结构。波纹夹芯材料具有比强度高、比刚度高的特点，在防火隔热、耐撞击、抗爆等方面也具有良好的性能。相比于其他夹芯复合材料，波纹夹芯复合材料除抗爆性能良好外还具有承载能力强的特点。波纹夹芯复合材料高速冲击条件下的变形相对较小，峰值荷载相对较大，吸收的能量效率不高。

（3）柱胞夹芯材料

柱胞类似于金属薄壁管，是一种高效率的缓冲吸能构型，作为吸能材料，柱胞夹芯复合材料芯层是由按一定规律排列的柱胞单元组成，并在上下复合一层薄面板。面板材料具有较高的抗弯曲强度和拉伸强度，能够承受由弯矩引起的面内拉压载荷，保证复合材料具有较高的承载强度。柱胞材料主要是在冲击荷载作用下，通过显著的塑性变形有效地卸载冲击波强度，从而达到吸能缓冲的效果。其在爆炸荷载作用下具有大变形承载稳定、变形时间长、压缩量程长等优点，且可通过填充聚氨酯泡沫、泡沫铝等多孔材料显著提高吸能性能。相比于传统结构材料，柱胞夹芯复合材料具有轻质、比强度高、比刚度高等特点，且其抗爆减振性能优异。柱胞夹芯复合材料吸能性质的基础结构单元是柱胞单元，根据单元的几何构型，可将其分为：方管和圆管单元、多胞管单元、球壳体单元以及组合几何构型单元。

方管和圆管这两种构型的单元是研究最早、应用最广泛的两种柱胞单元。目前,以这两类构型的单元为基本构件的吸能层已广泛应用于各种交通运输工具的吸能层中。金属薄壁圆管的吸能效率要显著优于方管。在方管或圆管内部加肋，构成双胞、三胞、四胞等多胞单元。如果连续的多胞管则构成蜂窝夹芯结构。在冲击荷载作用下，能够通过多胞管/蜂窝芯层屈曲等较大的变形有效地吸收冲击波能量。其吸能性能比方管和圆管有显著提高。上述方管、圆管、多胞/蜂窝结构的柱胞单元完全变形吸能值高，但是存在一个变形荷载“阈值”——即对于某一确定的柱胞单元，外加冲击荷载必须达到一定数值之上，该柱胞单元才会发生塑性变形，从而实现对冲击能量的吸收。当外部荷载相对较小，其荷载峰值可能不能达到圆管变形吸能“阈值”，导致圆管并不变形吸能，该柱胞单元对外加冲击荷载只能起到承力、传力作用，基本不能发挥吸能作用。即便在变形吸能过程中，其内应力峰值较高，也会对安装夹芯复合材料的支撑结构产生较大的荷载。

（3）组合几何构型单元

将方管和圆管等与空心圆椎体、球壳相组合柱胞单元一般称为几何构型单元。目前研究较多的是金属空心圆柱体+空心锥体+球壳结构相结合的吸能单元。研究表明，在轴向冲击荷载作用下这种组合几何构型的吸能性能要高于所组成的两部分构型各自吸能性能之和，且随着轴向冲击速度增大，组合几何构型的吸能性能也不断提高。

这种结构能够在很大程度上克服柱胞单元变形吸能对冲击荷载“阈值”的局限。但是存在难题在于：一是空间几何形状较复杂，制备工艺复杂，加工困难，成本较高；二是任然存在较大的荷载“阈值”限制：如果是半球壳+圆管组合方式，完全变形状态下吸能值很大，但在实际工程中，由于冲击荷载的特点是作用时间短，初期荷载大而后迅速衰减。因此，当半球壳首先变形吸能后，由于冲击荷载能量的迅速降低，荷载峰值可能不能达到圆管变形吸能“阈值”，导致圆管并不变形吸能，从而使得整体吸能结构吸能效率不能得到充分发挥，吸能效率显著降低。即便在变形吸能过程中，其内应力峰值较高，也会对安装夹芯复合材料的支撑结构产生较大的荷载。

发明内容

本发明针对现有技术中各种夹芯复合材料存在的上述不足，提供一种吸能密度高、渐进吸能的多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料。

本发明的技术方案：多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料，其特征在于：包括第一面板和第二面板，在第一面板和第二面板之间，设置有若干个吸能柱胞，每个吸能柱胞由若干块曲面体构成，曲面体相互之间同向重叠；最上面一块曲面体的外侧与第一面板的内侧面接触或连接，至少一块曲面体与第二面板的内侧面接触或连接；曲面体是薄壁空心结构。

进一步的特征是：上下相邻两块曲面体之间留有一定间隙，在间隙之间可加入填充材料。

每个吸能柱胞的多块曲面体的中心轴线重合，该中心轴线与第一面板和第二面板相垂直。

所述吸能柱胞包括四块曲面体，由依次排列的第一曲面体、第二曲面体、第三曲面体、第四曲面体同向叠加构成，第一曲面体位于上端，第一曲面体、第二曲面体、第三曲面体和第四曲面体形成包围结构，第三曲面体包围第四曲面体，第二曲面体包围第三曲面体和第四曲面体，第一曲面体包围第二曲面体、第三曲面体和第四曲面体；第一曲面体、第二曲面体、第三曲面体、第四曲面体的下端分别与第二面板的内侧面连接。

曲面体与第二面板的内侧面采用焊接、铆接、粘结或嵌固连接。

柱胞体和第一面板、第二面板之间构成空隙，空隙之间加入填充材料。

上下相邻两块曲面体之间留有一定间隙，在间隙之间加入填充材料。

本发明相向半球壳体柱胞结构的夹芯复合材料，相对于现有技术，具有如下特征：

1、同厚度尺寸条件下，多级变形吸能，吸能密度高。通过变形吸能的夹芯复合材料吸能效能受在冲击荷载作用下结构变形程度制约，可变形结构体越多，变形程度越大，则吸能效能越高。多层叠加曲面体结构在同样厚度范围内，具备更多的可变形结构体，且这些变形结构体均是曲面体，而且都是通过曲面体顶点承载发生初始变形，变形吸能充分。在冲击荷载下，通过面板的荷载传递，多层曲面体渐次变形吸收能量，吸能效能比单层结构显著增大，同等厚度下的吸能密度高。

2、多层曲面体变形具有渐进吸能优点，并且避免了其他柱胞类型内应力峰值较高对支撑结构产生的负面影响。球壳柱胞结构其变形吸能没有阈值，即受到冲击荷载就会产生变形，且力-变形特点具有渐进性，对于不同类型的冲击、振动荷载都能够通过柱胞体变形吸收能量。同时，变形吸能过程中，柱胞结构承受冲击荷载的内应力随变形逐步加大，不会出现较大内应力峰值突然增加情况。

3、易于加工。相比组合式结构的复杂空间曲面，半球壳体可以采用冲压、浇注、切削等工艺，相向球壳的组装可以采用焊接、铆接、粘结、嵌固等方式，易于进行工业化生产。

附图说明

图1本发明的夹芯复合材料结构示意图；

图2本发明柱胞单元冲击荷载下反应吸能过程的应力-位移图。

具体实施方式

如图1中，本发明 相向半球壳体柱胞结构的夹芯复合材料，包括第一面板1和第二面板2，在第一面板1和第二面板2之间，设置有若干个吸能柱胞3，每个吸能柱胞3由若干块曲面体4构成，曲面体4同向叠加，相互之间同向重叠，最上面一块曲面体4的外侧与第一面板1的下表面（内侧面）接触或连接，或制作成一体式结构，至少一块曲面体4与第二面板2的上表面（内侧面）接触，图中是最下面一块曲面体4与第二面板2的上表面（内侧面）接触；曲面体4是薄壁空心结构，较佳结构为薄壁空心半球壳状，每个吸能柱胞3的多块层曲面体4的曲率半径可以相同，也可以不相同；上下相邻两块曲面体4之间可以完全贴合，也可以留有一定间隙，每个吸能柱胞3的多块曲面体4的中心轴线重合，即通过曲面体4顶点的轴线相重合，该中心轴线与第一面板1和第二面板2相垂直。

第一面板1和第二面板2，是金属材质（如钢板），或是非金属材质，如纤维增强有机高分子材料制备的复合材料；曲面体4，是金属材质（如铝材），或是非金属材质，如纤维增强有机高分子材料或有机高分子材料；曲面体4可以是使常规的二次函数曲线的曲面体，也可以是薄壁空心半球壳体，或者是薄壁空心半圆管体。

上下相邻两块曲面体4之间的间隙（孔隙）之间，加入填充材料，尤其是轻质多孔的填充材料，可以填入金属、非金属填充材料（如聚氨酯泡沫、泡沫铝等），以提高其吸能效能。柱胞体3的上下侧面，与面板1、2之间不采用焊接等紧固连接结构，相互之间接触但留有一定空隙，通常情况下该间歇很小，在该空隙之间加入填充材料，填入金属、非金属填充材料（如聚氨酯泡沫、泡沫铝等），以提高其吸能效能。

如图中所示，本实施例的吸能柱胞3包括四块曲面体4，即由依次排列的第一曲面体41、第二曲面体42、第三曲面体43、第四曲面体44同向叠加构成，第一曲面体41位于上端，其外表面的上端（曲面顶点）与第一面板1的内侧面（下表面）连接，第一曲面体41、第二曲面体42、第三曲面体43、第四曲面体44 形成包围结构，第三曲面体43包围第四曲面体44，第二曲面体42包围第三曲面体43和第四曲面体44，第一曲面体41包围第二曲面体42、第三曲面体43和第四曲面体44，第一曲面体41、第二曲面体42、第三曲面体43、第四曲面体44的下端分别与第二面板2的内侧面（上表面）连接，如采用焊接、铆接、粘结、嵌固等方式，或者与面板整体冲压或浇铸等方式形成连接结构；或者第一曲面体41、第二曲面体42、第三曲面体43、第四曲面体44的下端相互连接后，再与第二面板2的内侧面连接。

冲击载荷作用下球壳体单元的动态响应过程十分复杂，在轴向荷载条件下，球壳体变形分为三个过程：局部压扁、轴对称内凹、形成不对称叶。冲击载荷作用下的球壳体动力学响应是一个复杂过程, 它包括材料非线性、几何非线性以及时间效应等问题。球壳体结构在爆炸冲击波作用下能够依靠几何弯曲来耗散冲击波能量。且相对于圆管、方管等结构，其变形吸能没有阈值，即受到冲击荷载就会产生变形，且力-变形特点具有渐进性，能够应用于更加广泛的领域。多层叠加曲面多级吸能式柱胞结构同时较好的克服压缩量程受到球壳体半径的限制的局限。因而能够应用于更加广泛的领域。

如图2所示，本发明多层曲面体同向叠加形成的吸能柱胞（相向半球壳体柱胞结构），在冲击荷载下的荷载-位移曲线图，从图中可以看出，其变形吸能是一个渐进过程，基本不存在荷载 “阈值” 限制，内应力峰值荷载仅为5.0KN；本发明多层曲面体变形具有渐进吸能优点，并且避免了其他柱胞类型内应力峰值较高对支撑结构产生的负面影响。而现有结构中的圆管等结构会产生较大的内应力“峰值”，这会传递到安装夹芯复合材料的支撑结构，成为其新的“冲击”荷载，吸能减振效果降低。而多层叠曲面体柱胞结构充分发挥半球壳渐进吸能优点，能够大幅度降低峰值荷载。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料，其特征在于：包括第一面板（1）和第二面板（2），在第一面板（1）和第二面板（2）之间，设置有若干个吸能柱胞（3），每个吸能柱胞（3）由若干块曲面体（4）构成，曲面体（4）相互之间同向重叠，形成包围结构；最上面一块曲面体（4）的外侧与第一面板（1）的内侧面接触或连接，至少一块曲面体（4）与第二面板（2）的内侧面接触或连接；曲面体（4）是薄壁空心结构；

每个吸能柱胞（3）的多块曲面体（4）的中心轴线重合，该中心轴线与第一面板（1）和第二面板（2）相垂直。

2. 根据权利要求1所述多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料，其特征在于：所述吸能柱胞（3）包括四块曲面体（4），由依次排列的第一曲面体（41）、第二曲面体（42）、第三曲面体（43）和第四曲面体（44）同向叠加构成，第一曲面体（41）位于上端，第一曲面体（41）、第二曲面体（42）、第三曲面体（43）和第四曲面体（44） 形成包围结构，第三曲面体（43）包围第四曲面体（44），第二曲面体（42）包围第三曲面体（43）和第四曲面体（44），第一曲面体（41）包围第二曲面体（42）、第三曲面体（43）和第四曲面体（44）；第一曲面体（41）、第二曲面体（42）、第三曲面体（43）和第四曲面体（44）的下端分别与第二面板（2）的内侧面连接。

3.根据权利要求1或2任一所述多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料，其特征在于：曲面体（4）与第二面板（2）的内侧面采用焊接、铆接、粘结或嵌固连接。

4.根据权利要求1所述多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料，其特征在于：柱胞体（3）和第一面板（1）、第二面板（2）之间构成空隙，空隙之间加入填充材料。

5.根据权利要求1所述多层叠加曲面体柱胞结构的夹芯复合材料，其特征在于：上下相邻两块曲面体（4）之间留有一定间隙，在间隙之间加入填充材料。