CN106124327A - 一种含预制缺陷的金属点阵夹层板及其力学性能检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含预制缺陷的金属点阵夹层板及其力学性能检测方法，该制备工艺简单、成本低廉、适用于多数金属点阵材料的制备，通过该力学性能检测方法能够有效全面地检测到含预制缺陷的金属点阵夹层板的力学性能。1)将具有周期性菱形结构的平面二维结构的金属丝网，在其节点处冲压，得到具有三维金字塔结构的点阵材料；2)在所述点阵材料或者金属面板上预制缺陷，将所述点阵材料作为芯材叠加设在两个金属面板之间，将三者重叠后高温钎焊，得到所述含预制缺陷的金属点阵夹层板；其中，所述预制缺陷包括：在所述点阵材料的部分节点上涂覆保护材料、切除局部金属点阵夹芯或在其中的一个所述金属面板上打孔。

Description

一种含预制缺陷的金属点阵夹层板及其力学性能检测方法
技术领域
本发明涉及一种含预制缺陷的金属点阵夹层板及其力学性能检测方法。
背景技术
点阵材料由三维空间微桁架结构组成，自从提出以来就受到了国内外研究学者广泛的关注。而由两层高度较大的金属薄板与点阵夹芯组成的金属点阵夹层板结构，由于其高比刚度、比强度以及多功能性及可设计性等特点，在航空航天热防护结构的轻量化设计领域具有广泛的应用前景。
然而，由于制备工艺的不成熟以及结构自身的复杂性，点阵夹层板很容易出现焊点缺焊、胞元缺失、面板穿孔等局部缺陷。研究表明，焊点缺焊的数量及位置都会对点阵夹层板的力学性能产生影响，另外，缺焊对点阵夹层板抗剪切性能的影响要大于抗压缩性能。对于点阵夹层板这种抗剪切性能较弱的结构，抗剪切性能显著地影响了点阵夹层板抵抗变形的能力，从而对点阵夹层板的屈曲行为产生比较大的影响。另一方面，焊点缺焊、点阵胞元缺失和面板穿孔都是点阵夹层板制备以及应用过程中常见的缺陷。因此，分析缺陷对点阵夹层板屈曲行为的影响规律是点阵夹层板在工程应用中必须面临的问题。
目前常见的点阵材料制备方法包括熔模铸造法、编织法和冲压折叠法，但是，这些方法或者制备工艺较为复杂，或者制备成本较高，或者只能适用于少数几种金属点阵材料的制备，并不利于推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种含预制缺陷的金属点阵夹层板及其力学性能检测方法，该制备工艺简单、成本低廉、适用于多数金属点阵材料的制备，通过该力学性能检测方法能够有效全面地检测到含预制缺陷的金属点阵夹层板的力学性能。
为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种含预制缺陷的金属点阵夹层板，由以下方法制得：
1)将具有周期性菱形结构的平面二维结构的金属丝网，在其节点处冲压，得到具有三维金字塔结构的点阵材料；
2)在所述点阵材料或者金属面板上预制缺陷，将所述点阵材料作为芯材叠加设在两个金属面板之间，将三者重叠后高温钎焊，得到所述含预制缺陷的金属点阵夹层板；
其中，所述预制缺陷包括：在所述点阵材料的部分节点上涂覆保护材料、切除局部金属点阵夹芯或在其中的一个所述金属面板上打孔。
进一步地，步骤1)中，通过切割或拉伸金属薄板得到具有周期性菱形结构的二维结构的金属丝网。
进一步地，步骤2)中，所述高温钎焊具体为，使用Bni-2钎料，加热温度为1040-1060℃，加热时间为10-15分钟。
进一步地，步骤2)中，所述保护材料为润湿能力弱的氧化铝。
进一步地，步骤2)中，所述保护材料在所述金属点阵夹层板上呈单排涂覆或者局部面涂覆。
本发明还提供了对所述的含预制缺陷的金属点阵夹层板进行力学性能检测的方法，包括：
1)将所述含预制缺陷的金属点阵夹层板平面设在液压式万能材料试验机上；
2)对所述含预制缺陷的金属点阵夹层板加载载荷，同时使用CCD摄像机对所述金属点阵夹层板的侧面进行连续拍摄，记录含预制缺陷的所述金属点阵夹层板的内部结构变化；
3)使用三维激光测振仪对所述金属点阵夹层板在载荷加载过程中的震动频率进行监测。
进一步地，步骤2)中，采用材料实验机在点阵夹层板两侧施加面内压力，加载形式为位移加载，加载速率为2mm/min，根据材料试验机读取的载荷大小，得到面内压缩条件下的载荷位移曲线。
进一步地，步骤2)中，所述CCD摄像机的分辨率为1626pixel×1236pixel。
本发明采用冲压折叠法针对不锈钢金属丝网进行冲压得到了金字塔结构点阵夹芯，通过将具备有周期性菱形结构的平面二维结构的金属丝网进行冲压得到了具有三维结构金字塔结构点阵夹芯，然后通过在焊点处涂抹保护材料、切割胞元或在金属面板上打孔的方法制备了含有不同分布形式的焊点缺焊的点阵夹层板板结构。
对含不同预制缺陷的金属点阵夹层板进行力学性能分析发现，点阵夹层板在发生弹性欧拉屈曲之前，金属面板首先发生了屈服。因此，金属点阵夹层板本身并没有产生弹性欧拉屈曲，主要的失效模式为上下金属面板局部形成塑性铰并发生了塑性屈曲。而预制缺陷的分布形式不同对金属点阵尖层板的屈曲强度不同。
附图说明
图1为本发明提供的含预制缺陷的金属点阵夹层板的结构示意图；
图2为本发明提供的三个含缺焊缺陷以及一个含金属面板穿孔缺陷的结构对比示意图；
图3为本发明提供的一个不含预制缺陷、三个含缺焊缺陷以及一个含金属面板穿孔缺陷的金属点阵夹层板的屈曲模态对比图；
图4为含缺陷点阵夹层板载荷位移曲线图，其中横坐标为温度坐标；
1.芯材，2.金属面板，3.节点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行说明。
如图1所示，一种含预制缺陷的金属点阵夹层板，通过切割或拉伸金属薄板得到具有周期性菱形结构的二维结构的金属丝网，将该金属丝网在其节点处冲压，得到具有三维金字塔结构的点阵材料。
在该点阵材料的部分节点上涂覆润湿能力弱的氧化铝，将部分节点上涂覆了氧化铝的点阵材料作为芯材叠加设在两个金属面板之间，将芯材和两个金属面板重叠，将未涂覆氧化铝的芯材上的节点与金属面板高温钎焊连接，使用Bni-2钎料在1040℃-1060℃高温下加热钎焊10-15分钟，得到含缺焊缺陷的金属点阵夹层板。
其中，在节点上涂覆氧化铝材料能够阻止被涂覆的节点与金属面板连接，进而形成缺焊缺陷。而在涂覆氧化铝时，可以将芯材上的某一行或者某一列的节点顺次涂覆形成单排缺焊；或者可以在芯材的某一区域的节点上涂覆，比如，在芯材中心的方形区域涂覆6×11个焊点，或者涂覆×7个焊点形成不同面积的缺焊缺陷。
还可以形成面板穿孔缺陷，具体为，在其中的一个金属面板上穿孔，之后再将芯材与两个金属面板焊接，形成具有面板穿孔缺陷的金属点阵夹层板。
还可以形成胞元缺失缺陷，具体是，将作为芯材的点阵材料中的局部胞元结构剪掉，之后再将芯材与面板材料钎焊形成含胞元缺失缺陷的金属点阵夹层板。
实验例1：
对上述的含缺焊缺陷和面板穿孔缺陷的四个金属点阵夹层板分别进行力学性能测试，四个试样板的尺寸均为250×250×7.8mm。分别为：
D1.单排缺焊，D2.中心含6×11个焊点缺焊；D3：中心含4×7个焊点缺焊；D4：面板穿孔，该四个样板的示意图如图2所示。
采用型号为WE-1000B的100吨液压式万能材料试验机对含预制缺陷金属点阵夹层板进行压缩测试，在点阵夹层板两侧施加面内压力，加载形式为位移加载，加载速率为2mm/min。根据材料试验机读取的载荷大小，便可以得到面内压缩条件下的载荷位移曲线。同时使用CCD摄像机在夹层板侧面进行连续拍摄，拍摄频率为每秒一幅图像，CCD摄像机的分辨率为1626 pixel×1236 pixel。
试验结果：
从实验过程可以发现，如图3所示，点阵夹层板在发生弹性欧拉屈曲之前，金属面板首先发生了屈服。因此，点阵夹层板并没有产生弹性欧拉屈曲，主要的失效模式为上下金属面板局部形成塑性铰并发生了塑性屈曲。
如图4所示，对于具有中心缺焊的金属点阵夹层板而言，缺焊数目对临界载荷影响很小。另外，金属面板中心处穿孔也没有明显地改变点阵夹层板的临界屈曲载荷。但是，对于具有与压缩方向垂直的单排缺焊的点阵夹层板，该缺焊使结构抵抗屈曲的能力显著下降，且下降为完整结构的50％左右，所以，通过该试验能够证明缺陷分布形式对点阵夹层板屈曲强度有较大影响。
实验例2：
对含胞元缺失缺陷对金属点阵夹层板结构的固有频率影响的检测：
在激励过程中，采用三维激光测振仪对含胞元缺失缺陷的点阵金属夹层板结构固有频率进行测试，其中A00代表完好点阵夹层板、SD1代表具有2×3个胞元缺失点阵夹层板试件、SD2代表具有3×4个胞元缺失点阵夹层板试件、SD3代表具有4×5个胞元缺失点阵夹层板试件。结果统计如表1所示：
表1
由表1可以看出，胞元缺失会对点阵夹层板结构的固有频率产生较大影响。当胞元缺失率达到1.7％时，点阵夹层板试件的一阶固有频率降低了15.5％，而当胞元缺失率达到3.4％时，点阵夹层板试件的一阶固有频率降低了27.9％。另外，由于随机缺陷及结构整体几何缺陷等因素影响，而当胞元缺失率达到5.7％时，点阵夹层板试件的固有频率降低为19.4％。这也正说明了，对于我们研究的点阵夹层板而言，缺陷种类复杂，需要采用预制缺陷的方法来研究结构的缺陷敏感性问题。
以上，虽然说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子提出的，并非用于限定本发明的范围。对于这些新的实施方式，能够以其他各种方式进行实施，在不脱离本发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、及变更。这些实施方式和其变形，包含于本发明的范围和要旨中的同时，也包含于权利要求书中记载的发明及其均等范围内。

Claims (8)

1.一种含预制缺陷的金属点阵夹层板，其特征在于，由以下方法制得：
(1)将具有周期性菱形结构的平面二维结构的金属丝网，在其节点处冲压，得到具有三维金字塔结构的点阵材料；
(2)在所述点阵材料或者金属面板上预制缺陷，将所述点阵材料作为芯材叠加设在两个金属面板之间，将三者重叠后高温钎焊，得到所述含预制缺陷的金属点阵夹层板；
其中，所述预制缺陷包括：在所述点阵材料的部分节点上涂覆保护材料、切除局部金属点阵夹芯或在其中的一个所述金属面板上打孔。
2.根据权利要求1所述的含预制缺陷的金属点阵夹层板，其特征在于，步骤(1)中，通过切割或拉伸金属薄板得到具有周期性菱形结构的二维结构的金属丝网。
3.根据权利要求1所述的含预制缺陷的金属点阵夹层板，其特征在于，步骤(2)中，所述高温钎焊具体为，使用Bni-2钎料，加热温度为1040-1060℃，加热时间为10-15分钟。
4.根据权利要求1所述的含预制缺陷的金属点阵夹层板，其特征在于，步骤(2)中，所述保护材料为润湿能力弱的氧化铝。
5.根据权利要求1所述的含预制缺陷的金属点阵夹层板，其特征在于，步骤(2)中，所述保护材料在所述金属点阵夹层板上呈单排涂覆或者局部面涂覆。
6.对权利要求1-5任一项所述的含预制缺陷的金属点阵夹层板进行力学性能检测的方法，其特征在于，包括：
1)将所述含预制缺陷的金属点阵夹层板平面设在液压式万能材料试验机上；
2)对所述含预制缺陷的金属点阵夹层板加载载荷，同时使用CCD摄像机对所述金属点阵夹层板的侧面进行连续拍摄，记录含预制缺陷的所述金属点阵夹层板的内部结构变化；
3)使用三维激光测振仪对所述金属点阵夹层板在载荷加载过程中的震动频率进行监测。
7.根据权利要求6所述的对含预制缺陷的金属点阵夹层板进行力学性能检测的方法，其特征在于，步骤2)中，
采用材料实验机在点阵夹层板两侧施加面内压力，加载形式为位移加载，加载速率为2mm/min，根据材料试验机读取的载荷大小，得到面内压缩条件下的载荷位移曲线。
8.根据权利要求6所述的对含预制缺陷的金属点阵夹层板进行力学性能检测的方法，其特征在于，步骤2)中，所述CCD摄像机的分辨率为1626pixel×1236pixel。
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