CN106960096B - 三维负刚度蜂窝结构及其制备方法 - Google Patents

三维负刚度蜂窝结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

三维负刚度蜂窝结构及其制备方法，它涉及负刚度蜂窝结构及其制备方法，本发明要解决现有普通蜂窝结构通过塑性变形吸收能量，限制了能量吸收，且普通的蜂窝结构的不可恢复性，也限制了蜂窝结构的重复使用的问题。本发明的结构通过3D打印制备或者切割板的方式制备嵌片，并在嵌片上开槽，通过槽嵌锁到一起，并进行钎焊，最终制成三维负刚度蜂窝结构。本发明的结构具有高初始刚度、可恢复性的能量吸收强。本发明应用于航空航天领域。

Description

三维负刚度蜂窝结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及负刚度蜂窝结构设计及其制备方法，具体涉及三维负刚度蜂窝结构设计及其制备方法。
背景技术
随着航空航天技术等工程技术的高速发展，对轻质，吸能结构的需求更加迫切。相对于其他低密度的材料,如随机泡沫,蜂窝提供非常高水平的抗压强度和能量吸收,这些特征和细胞形状和密度直接相关。
蜂窝结构的应力-应变曲线可以说明它的高能量吸收。弹塑性材料组成的蜂窝通常表现出一个线弹性区域，蜂窝的细胞壁面内压缩表现弯曲或轴向压缩。超出临界压力时，细胞壁通过弹性屈曲(以非常低的相对密度)或塑性屈曲崩溃。然后观察到随着细胞壁逐行压溃，出现应力平台区。最后,当细胞壁压溃，结构致密，刚度迅速增加至接近胞壁材料的刚度，孔隙空间减少。
传统多孔材料，如六边形蜂窝，通过塑性变形吸收能量，这就限制了能量吸收的可恢复性并限制了蜂窝结构的重复使用。传统蜂窝结构承受压力时的力学变化：首先在初始阶段表现出弹性变形，随着胞壁的塑形屈曲当发生单胞一排排的失效时，相应进入一个相对的平台区，当所有的单胞失效时，结构发生密实化导致应力突然增加。通过调整单胞的几何参数可控制结构的承力阈值和原有的弹/塑性行为。低相对密度几何参数的结构在压缩载荷下表现出可恢复的弹性屈曲，而高相对密度表现出不可恢复性塑性屈曲。
发明内容
本发明针对现有普通蜂窝结构通过塑性变形吸收能量，限制了能量吸收；且限制了普通的蜂窝结构的可恢复性；也限制了蜂窝结构的重复使用的问题。基于以上情况，本发明提出了三维负刚度蜂窝结构及其制备方法，它既可以表现出相当大的正刚度，还可以在负刚度结构压缩后完全恢复。
本发明的具体结构如下：
本发明的三维负刚度蜂窝结构，它由四个嵌片嵌锁到一起，形成的“井”字形结构；所述的四个嵌片均开有贯穿其高度一半的嵌锁槽口，每个嵌锁槽口的宽度等于嵌片的厚度，且四个嵌片的厚度相同；四个嵌片其中两个定义为列组，另外两个定义为行组，列组的嵌锁槽口与行组的嵌锁槽口嵌锁到一起，形成三维负刚度蜂窝结构。
该结构的制备方法为：
一、采用线切割方式制备嵌片；
二、将制备的嵌片开嵌锁槽口，通过嵌锁槽口将每四个嵌片组装到一起，形成“井”字形结构；
三、通过钎焊工艺对组装到一起的嵌片的嵌锁槽口进行焊接，即完成所述的三维负刚度蜂窝结构制备。
本发明的结构还可以通过3D打印方式制备。
本发明的三维负刚度蜂窝结构通过尼龙制备，其单位质量吸能可达724.406mJ/g以上，比现有的蜂窝结构单位吸能提高58％以上。本发明的三维负刚度蜂窝结构负刚度更加明显，且正刚度提高，单位质量的能量吸收也会提高，优化后的结构可以吸收更多的能量。三维结构相较二维结构有较高的单位质量吸能，组成三维负刚度蜂窝结构的板较薄，因此其相对密度较小，在变形后吸收更多的能量。
本发明的三维负刚度蜂窝结构具有高初始刚度、可恢复性的能量吸收。
附图说明
图1为本发明的嵌片结构示意图；
图2为图1中的“六边形”单元的结构示意图；
图3为本发明三维负刚度蜂窝结构模型示意图；
图4为三维负刚度蜂窝结构上下表面连接钢板后的结构示意图；
图5为采用不锈钢制备出的嵌片照片；
图6为采用不锈钢制备出的三维负刚度蜂窝结构照片；
图7为采用3D打印制备出的三维负刚度蜂窝结构照片；
图8为实施例1采用不锈钢板制备的三维负刚度蜂窝结构有限元模拟图；其表现了在承受压力的各个阶段形态；
图9为实施例1三维负刚度蜂窝及其优化结构结构的力-位移曲线图，其中A为ABAQUS曲线图；B为实施例1的三维负刚度蜂窝曲线图；
图10为实施例2的普通蜂窝按时间进度的有限元模拟模型图；
图11为实施例2的嵌片按时间进度的有限元模拟模型图；其表现了在承受压力的各个阶段形态；
图12为实施例2的普通蜂窝结构和嵌片的力-位移曲线图，其中，A为普通蜂窝结构曲线图；B为嵌片的曲线图；
图13为实施例2嵌片及其优化结构结构的力-位移曲线图，其中，A为未优化嵌片曲线图；B为优化后嵌片的曲线图；
图14为实施例2三维负刚度蜂窝按时间进度的有限元模拟模型图；
图15为实施例2三维负刚度蜂窝及其优化结构结构的力-位移曲线图；其中，A为优化后的三维负刚度蜂窝曲线图，B为未优化的三维负刚度蜂窝曲线图；
图16为本发明的“六边形”单元结构尺寸示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式的三维负刚度蜂窝结构，它由四个嵌片1嵌锁到一起，形成了三维负刚度蜂窝结构；所述的四个嵌片1均开有嵌锁槽口3，每个嵌锁槽口3的宽度等于嵌片1的厚度，且四个嵌片1的厚度相同；四个嵌片1其中两个定义为列组，另外两个定义为行组，列组的嵌锁槽口3与行组的嵌锁槽口3嵌到一起，形成三维负刚度蜂窝结构；
所述的嵌片1是由五个中空的“六边形”单元1-1、上横梁片1-2和下横梁片1-3构成；
其中，每个“六边形”单元1-1的左右两边均与中垂线平行；
一个“六边形”单元1-1的一边与另一个“六边形”单元1-1的一边相连，且位于嵌片1的上部，与其对称设置的另一个“六边形”单元1-1的一边与其中一个“六边形”单元1-1的一边相连，且位于嵌片1的下部；剩余的一个“六边形”单元1-1位于上部两个“六边形”单元1-1与下部两个“六边形”单元1-1之间，并分别与上下部两个“六边形”单元1-1相连，且其左右两边分别位于上部两个“六边形”单元1-1的中垂线上；
所述的上横梁片1-2一端与上部的一个“六边形”单元1-1的上部两边的连接处相连，另一端与上部的另外一个“六边形”单元1-1的上部两边的连接处相连；所述的下横梁片1-3与下部的一个“六边形”单元1-1的下部两边的连接处相连，另一端与下部的另外一个“六边形”单元1-1的下部两边的连接处相连；
所述的嵌片1开设有两个嵌锁槽口3，每个嵌锁槽口3是分别沿着上部的两个“六边形”单元1-1的中垂线方向开设，且每个嵌锁槽口3深度为嵌片1整体高度一半。
本实施方式的嵌片1通过线切割方式对整体钢板或者合金板进行切割加工成一体式的嵌片，其结构组成如本实施方式所描述。本实施方式的嵌片也可通过3D打印方式打印出一体式的嵌片结构。
本实施方式的嵌锁槽口贯穿于上部的两个“六边形”单元，并开设至中间“六边形”单元两边的中间处。
本实施方式的三维负刚度蜂窝结构还可以是通过一整块钢板采用线切割方式在钢板上切割成连接在一起的嵌片1，并在每个嵌片1开有嵌锁槽口3，在另外三个整块钢板上切割同样结构的嵌片1，通过每个嵌片1的嵌锁槽口3按照具体实施方式一的方式嵌锁到一起，然后通过钎焊工艺钎焊后，得到三维负刚度蜂窝结构的初级结构，并在此初级结构上下表面通过焊接方式焊上能够覆盖三维负刚度蜂窝结构的初级结构的两块钢板，即得到三维负刚度蜂窝结构。
具体实施方式二：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：“六边形”单元1-1上下四边均开槽。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：“六边形”单元1-1上下四边为“波浪形”，所述的上两边其上部分均为外凸的弧形边，下部分均为内凹的弧形边，所述的下两边与上两边以“六边形”单元1-1的横向轴线呈对称设置。
其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：每个“六边形”单元1-1沿横向轴线方向，设置有横梁片4。
其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的横梁片4在于六边形”单元1-1左右两边连接处分别设置有增强结构体5。
其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：所述的三维负刚度蜂窝结构上下表面覆盖有钢板2。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式三维负刚度蜂窝结构的制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、采用线切割方式制备负刚度蜂窝结构的嵌片1；
二、将制备的嵌片1开嵌锁槽口3，通过嵌锁槽口3将每个嵌片1组装到一起；
三、通过钎焊工艺对组装到一起的嵌片1进行焊接，即完成所述的三维负刚度蜂窝结构制备。
具体实施方式八：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同点在于：采用1.4mm厚的不锈钢板进行切割。
其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同点在于：焊接工艺条件为：以升温速率为15℃/min从室温一直升到950℃，保持30～60分钟(为试样提供一个统一的温度)，然后以20℃/min的升温速率升到1050℃，在压强为2×10-2Pa的条件下保持此温度6～10分钟，然后自然冷却到室温。
其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同点在于：钎焊中使用的钎料为Ni-7Gr-4.5Si-3.1B-3Fe焊料合金(Nicrobraze 31)。
其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。
所述的嵌片1是通过线切割(WEDM)304不锈钢平板切割而成，小槽切割，确保连续性。嵌锁组装的嵌片1通过真空钎焊到一起。
本实施方式也可以采用镍钛合金板进行切割制成嵌片；镍钛合金板是一种形状记忆合金，形状记忆合金是能将自身的塑性变形在某一特定温度下自动恢复为原始形状的特种合金。它的伸缩率在20％以上，疲劳寿命达1×107，阻尼特性比普通的弹簧高10倍，其耐腐蚀性优于目前最好的医用不锈钢，因此可以满足各类工程和医学的应用需求，是一种非常优秀的功能材料。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1
采用304不锈钢板制备三维负刚度蜂窝结构：
本实施例制备的三维负刚度蜂窝结构如具体实施方式一至八所描述的结构，制备方法如具体实施方式九至十所描述的方式进行。
304不锈钢参数：弹性模量213GPa，密度：7.93×103kg/m3。嵌片1几何尺寸为：板宽1.40mm。“六边形”单元尺寸(如图16所示)为：曲梁长度L＝56.00mm，梁的厚度t＝1.40mm，顶点高度h＝5.60mm，曲梁曲线的半径R＝41.846875mm，角度θ＝21.07836746°。其中，“六边形”单元尺寸的上下四边为波浪形结构，每个边的波浪形结构是由两个弧形边连接而成。因此，所述的角度θ是指弧形的弧度，曲梁曲线的半径R指弧形的半径。
如图8所示，给出了三维负刚度蜂窝结构的模拟图。
第一层变形之前，整个结构都稍微有些变形，可以观察到，负刚度蜂窝结构的每一层发生变形时，形变位置都不是固定在某一层，或是按顺序。而且可以观察到，在每一层发生变形的时候，会有类似突变的时刻，在突变之后，下一层变形之前，就是负刚度阶段。
图9为三维负刚度蜂窝及其优化结构结构的力-位移曲线图。
通过模拟和实验的对比，第一层之前，整体结构都有变形，峰值最大；二层三层最小；第四层比二、三层有提高，这和模拟的有些不同。在模拟的时候，设置塑性应变为0，而在实验中发生了塑性变形。
实施例2
采用尼龙材料制备嵌片1，与普通与嵌片具有类似蜂窝结构(以下称普通蜂窝结构)进行比较分析。
本实施例制备的三维负刚度蜂窝结构如具体实施方式一至八所描述的结构，制备方法如具体实施方式九至十所描述的方式进行。
首先，将采用尼龙材料制备嵌片1与普通蜂窝结构进行模拟对比：
尼龙参数：弹性模量1582MPa，泊松比：0.33，密度：1040kg/m3。其中普通蜂窝的几何尺寸为：板宽7.90mm，蜂窝单胞内侧长7.20mm，厚度1.10mm。
嵌片1几何尺寸为：板宽1.27mm。“六边形”单元尺寸(如图16所示)为：曲梁长度L＝50.80mm，梁的厚度t＝1.27mm，顶点高度h＝5.08mm，曲梁曲线的半径R＝36.274275mm，角度θ＝21.56859574°。如下图10和11所示，普通蜂窝与嵌片1在有限元模拟中的变形等情况。
其中，“六边形”单元尺寸的上下四边为波浪形结构，每个边的波浪形结构是由两个弧形边连接而成。因此，所述的角度θ是指弧形的弧度，曲梁曲线的半径R指弧形的半径。
并对普通蜂窝结构和嵌片1的力-位移进行对比，结果如图12所示。
普通蜂窝结构的体积为10795.5852mm3，所占空间68657.98992mm3，质量11.227g，吸收能量5.121J,单位质量吸能为456.133mJ/g，嵌片1的体积为28680.18516mm3，所占空间114504.6097mm3，质量29.83g，吸收能量9.088J,单位质量吸能为304.466mJ/g，嵌片1结构比普通六边形蜂窝单位质量吸能小，但是其负刚度使卸载后结构可以恢复到原来的形状，因此能重复使用。可以看到嵌片1第四个峰值较前三个低，因为在变形时前两层变形都是发生在同一层，而第三层的变形是一层的中间和另一层的两边一起发生变形，在第四层变形前，就已经和第三层一起发生变形了。
对嵌片1及其优化结构进行有限元分析，比较其吸能、变形等情况，其尺寸就是前面进行优化设计时的尺寸。嵌片1的变形情况和未优化之前基本一致，图13是嵌片1及其优化结构的力-位移曲线对比图。
通过上述模拟的力-位移曲线图，可以看出优化后的结构负刚度更加明显，且正刚度提高，优化后的结构吸收更多的能量。这里嵌片1及其优化结构在模拟时用的参数都是尼龙的。可以看到嵌片1及其优化结构第四个峰值较前三个低，因为在变形时前两层变形都是发生在同一层，而第三层的变形是一层的中间和另一层的两边一起发生变形，在第四层变形前，就已经和第三层一起发生变形了。
优化后的嵌片1体积为22819.29617mm3，所占空间体积为91402.62279mm3，其相对密度为24.966％，质量为23.73g，结构单位质量吸能为435.946mJ/g，与普通蜂窝结构的接近，因此优化后的结构不仅在吸能方面可与普通蜂窝相媲美，还可重复使用。
图14为对三维负刚度蜂窝结构及其优化结构进行有限元模拟图，比较其吸能、变形等情况，其尺寸就是上面进行优化设计时的尺寸。
通过图14可知三维优化负刚度蜂窝结构的变形情况和未优化之前基本一致，下图是三维负刚度蜂窝结构及其优化结构的力-位移曲线对比图。
通过图15的三维及其优化结构的力-位移曲线图，同样可以看出优化后的结构正刚度稍有提高，优化后的结构吸收更多的能量。可以看到三维及其优化结构第二、四个峰值较前一、三低，因为第一、三层发生变形时，不是在同一层，变形是一层的中间和另一层的两边一起发生变形，在二、四两层变形前，就已经和第一、三层一起发生变形了。
三维负刚度蜂窝结构体积为21862.6019mm3，所占空间984739.6434mm3，质量22.74g，吸收能量16.473J,单位质量吸能为724.406mJ/g。三维优化负刚度蜂窝结构体积为15453.79482mm3，所占空间688103.5899mm3，质量16.072g，吸收能量16.579J，单位质量吸能为1031.54mJ/g。
304不锈钢制备的结构体积为29630.09978mm3，所占空间1319150.56mm3，质量234.97g，ABAQUS模拟吸收能量42.772J，单位质量吸能为182.032mJ/g。实验中吸收能量31.738J，单位质量吸能为135.073mJ/g。
优化后的结构负刚度更加明显，且正刚度提高，单位质量的能量吸收也会提高，优化后的结构吸收可以更多的能量。三维结构相较二维结构有较高的单位质量吸能，组成三维负刚度蜂窝结构的板较薄，因此其相对密度较小，在变形后吸收更多的能量。

Claims (9)

1.三维负刚度蜂窝结构，其特征在于它由四个嵌片(1)嵌锁到一起，形成的“井”字形结构；所述的四个嵌片(1)均开有贯穿其高度一半的嵌锁槽口(3)，每个嵌锁槽口(3)的宽度等于嵌片(1)的厚度，且四个嵌片(1)的厚度相同；四个嵌片(1)其中两个定义为列组，另外两个定义为行组，列组的嵌锁槽口(3)与行组的嵌锁槽口(3)嵌锁到一起，形成三维负刚度蜂窝结构；所述的嵌片(1)是由五个中空的“六边形”单元(1-1)、上横梁片(1-2)和下横梁片(1-3)构成；
其中，每个“六边形”单元(1-1)的左右两边均与中垂线平行；
一个“六边形”单元(1-1)的一边与另一个“六边形”单元(1-1)的一边相连，且位于嵌片(1)的上部，与其对称设置的另一个“六边形”单元(1-1)的一边与其中一个“六边形”单元(1-1)的一边相连，且位于嵌片(1)的下部；剩余的一个“六边形”单元(1-1)位于上部两个“六边形”单元(1-1)与下部两个“六边形”单元(1-1)之间，并分别与上下部两个“六边形”单元(1-1)相连，且其左右两边分别位于上部两个“六边形”单元(1-1)的中垂线上；
所述的上横梁片(1-2)一端与上部的一个“六边形”单元(1-1)的上部两边的连接处相连，另一端与上部的另外一个“六边形”单元(1-1)的上部两边的连接处相连；所述的下横梁片(1-3)与下部的一个“六边形”单元(1-1)的下部两边的连接处相连，另一端与下部的另外一个“六边形”单元(1-1)的下部两边的连接处相连。
2.根据权利要求1所述的三维负刚度蜂窝结构，其特征在于所述的嵌片(1)开设有两个嵌锁槽口(3)，每个嵌锁槽口(3)是分别沿着上部的两个“六边形”单元(1-1)的中垂线方向开设，且每个嵌锁槽口(3)深度为嵌片(1)整体高度一半。
3.根据权利要求1所述的三维负刚度蜂窝结构，其特征在于“六边形”单元(1-1)上下四边均开槽。
4.根据权利要求1所述的三维负刚度蜂窝结构，其特征在于“六边形”单元(1-1)上下四边为“波浪形”，所述的上两边其上部分均为外凸的弧形边，下部分均为内凹的弧形边，所述的下两边与上两边以“六边形”单元(1-1)的横向轴线呈对称设置。
5.根据权利要求4所述的三维负刚度蜂窝结构，其特征在于每个“六边形”单元(1-1)沿横向轴线方向，设置有横梁片(4)。
6.根据权利要求1或4所述的三维负刚度蜂窝结构，其特征在于所述的横梁片(4)在于六边形”单元(1-1)左右两边连接处分别设置有增强结构体(5)。
7.根据权利要求1所述的三维负刚度蜂窝结构，其特征在于所述的三维负刚度蜂窝结构上下表面覆盖有钢板(2)。
8.如权利要求1所述的三维负刚度蜂窝结构的制备方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、采用线切割方式制备嵌片(1)；
二、将制备的嵌片(1)开嵌锁槽口(3)，通过嵌锁槽口(3)将每四个嵌片(1)组装到一起，形成“井”字形结构；
三、通过钎焊工艺对组装到一起的嵌片(1)的嵌锁槽口(3)进行焊接，即完成所述的三维负刚度蜂窝结构制备。
9.根据权利要求8所述的三维负刚度蜂窝结构的制备方法，其特征在于采用1.4mm厚的不锈钢板进行切割。
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