CN107344431A - 一种蜂窝‑波纹复合点阵夹芯圆柱壳及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝‑波纹复合点阵夹芯圆柱壳及其制备方法，采用线切割将铝蜂窝切成长方形结构，采用模压、弯曲以及激光打孔技术制备微穿孔波纹板，将微穿孔波纹板在环形波纹模具上固型，制备得到微穿孔环形金属波纹芯体，在金属圆筒模具上分别制备外圆筒与微穿孔内圆筒，将微穿孔芯体与微穿孔内圆筒内、外圆筒胶接或焊接，将铝蜂窝填入波纹通道内进行胶接得到多功能微穿孔型蜂窝‑波纹复合点阵夹芯圆柱壳。该结构集轻质、承载、能量吸收和声波吸收于一体，制备工艺成熟，在对承载和吸声降噪有着迫切需求的民用和军用领域具有广阔的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于蜂窝填充波纹夹芯壳设计制备技术领域，具体涉及一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳及其制备方法。
背景技术
薄壁圆柱壳由于其高比吸能(～3×104Nm/kg)、高容积效率(0.7～0.8)的优势，广泛应用于化工、航空航天、交通运输及核能设备等诸多民用和国防重要工业。在这一领域中，为保证足够的安全性，并提高能量利用效率，除对质量、结构承载及抗冲击等方面有着严格的要求外，对噪声的控制也是一直需要关注的问题。轻质多孔材料以其轻质、高强/高韧等优良的结构性能和吸声降噪、高效散热及智能化等广泛的多功能特性，在该领域中具有极大的应用潜力。
目前多孔材料中较为常见的波纹板和蜂窝材料已得到广泛应用，但目前的铝蜂窝相对密度通常小于0.08，这是因为当其相对密度进一步增加时，蜂窝芯体与面板连接界面处容易发生脱粘失效。相对密度的局限性限制了铝蜂窝的刚度、强度及能量吸收能力，进而局限了它的应用范围。波纹结构也有其自身的缺点：波纹板作为夹芯结构芯体在剪切和弯曲载荷下容易发生弹塑性屈曲失稳，且当载荷达到峰值后承载迅速下降，导致其能量吸收能力明显弱于泡沫和蜂窝材料。于此同时在吸声隔声等降噪领域中，微穿孔板(孔径在亚毫米量级)作为一种低声质量、高声阻的共振吸声体，其吸收频带宽，构造简单，制作材料多样化，可在高温高湿等恶劣环境下使用，与传统吸声材料(例如多孔吸声材料)相比，是新一代极具潜力的吸声结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳及其制备方法，将蜂窝材料填入波纹点阵夹芯圆柱壳的空隙中，并在波纹芯体和内圆筒上设置微穿孔，实现一种集优良结构承载和吸声性能于一体的多功能微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳。
本发明采用以下技术方案：
一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳，包括外圆筒、内圆筒和波纹芯体，所述波纹芯体环形设置在所述外圆筒和内圆筒之间，在所述波纹芯体、外圆筒和内圆筒之间设置有蜂窝，在所述内圆筒和波纹芯体上分别设置有微穿孔，所述蜂窝、波纹芯体与外圆筒和内圆筒连接构成微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳。
优选的，每个所述微穿孔与所述蜂窝的单胞构成若干连通腔体结构。
优选的，所述微穿孔的直径为0.05～1mm。
优选的，所述蜂窝为六角蜂窝结构。
优选的，所述蜂窝由铝制备而成。
优选的，所述波纹芯体、内圆筒和外圆筒采用铝合金、钛合金或不锈钢制成。
一种制备蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳的方法，包括以下步骤：
S1、采用线切割将铝蜂窝切成长方形结构；
S2、采用激光打孔技术在平整过的金属板上穿凿微穿孔，并通过模压或折弯技术将该金属板材制成微穿孔金属波纹板；
S3、将步骤S2制备的所述微穿孔金属波纹板清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，连接成一体，脱模得到微穿孔环形波纹芯体；
S4、将平整过的金属板材切割，通过表面处理去除油污和锈迹，以直径114～133mm的金属圆筒为模具，在其上覆盖所述金属板材并连接成一体，脱模制成外圆筒和内圆筒，所述内圆筒在制备之前，采用激光打孔技术在平整过的金属板上穿凿微穿孔；
S5、对步骤S3制备的所述微穿孔环形波纹芯体、步骤S4制备的外圆筒和内圆筒进行表面处理，去除油污和锈迹后拼装，得到微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳；
S6、将步骤S1制备的所述铝蜂窝进行表面处理，去除油污和锈迹后与S5的所述微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳拼装，得到多功能微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳。
优选的，所述波纹芯体、内圆筒、外圆筒采用胶接或焊接方式连接。
优选的，所述胶接采用环氧树脂胶作为胶结剂，所述焊接采用钎焊方式，真空度为10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10～60min。
优选的，所述蜂窝与微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳采用胶接方式连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明公开了一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳，由于波纹板和蜂窝胞壁可通过相互的强约束制约各自变形，改善各自可能发生屈曲和后屈曲现象，作为夹芯结构芯体使用可提高其结构刚度、强度及大变形下的能量吸收。
进一步的，每个微穿孔与蜂窝的单胞构成若干连通腔体结构，微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯壳可以等效为一种特殊的组合微穿孔板壳结构，是一种同时包含串联和并联形式的微穿孔吸声体，在夹芯壳芯体中可形成多个共振腔，产生多个共振频率，可增加吸声频率范围，在一定频率范围内，造成多个吸声系数峰值，形成一个宽频带的有效吸声空间，可具有很好的吸声性能。
进一步的，微穿孔板的穿孔孔径范围一般在0.05～1mm，穿孔率范围0.5～1.5％，根据马大猷微穿孔理论，可知该孔径范围中低频吸声效果最佳，此外在这种情况下，微穿孔对力学性能的削弱效应很小，几乎可以忽略。
进一步的，采用铝制六角蜂窝结构，制备工艺成熟，具有一定的刚度、强度及能量吸收能力。
本发明还公开了一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳制备方法，采用模压折弯以及激光打孔技术制备微穿孔波纹板，将微穿孔波纹板在环形波纹模具上固型，制备得到微穿孔环形金属波纹芯体，在金属圆筒模具上分别制备微穿孔内圆筒与外圆筒，将微穿孔环形波纹芯体与内、外圆筒胶接或焊接，将铝蜂窝填入波纹通道内进行胶接得到蜂窝填充微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳。该结构集轻质、力学承载、能量吸收和声波吸收于一体，在对承载和吸声降噪有着迫切需求的民用和军用领域具有广阔的市场前景。
进一步的，圆柱壳芯体以及内外侧圆筒较薄时，采用环氧树脂胶连接强度高，固化时间短，易于加工，同时胶水固化收缩率小，内应力小；圆柱壳芯体以及内外侧圆筒较厚时，使用钎焊连接强度高，焊件变形小，可是同焊接多条钎缝，生产效率高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的多功能微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳结构示意图；
图2为本发明的多功能微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳局部放大图；
图3为本发明蜂窝-波纹复合点阵夹芯板面外压缩实验得到的应力应变曲线图；
图4为采用COMOSOL数值仿真得到的中低频声波垂直入射下微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯板的吸声系数-频率关系曲线图。
其中：1.外圆筒；2.内圆筒；3.波纹芯体；4.蜂窝；5.第一微穿孔；6.第二微穿孔。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳，采用微穿孔环形金属波纹结构作为夹芯圆柱壳的芯体，包括：外圆筒1、内圆筒2、波纹芯体3和填充用蜂窝4，所述波纹芯体3环形设置在所述外圆筒1和内圆筒2之间，所述蜂窝4设置在所述波纹芯体3、外圆筒1和内圆筒2之间，在所述内圆筒2和波纹芯体3上分别设置有微穿孔，所述蜂窝4、波纹芯体3与外圆筒1和内圆筒2连接构成微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳。
其中，每个所述微穿孔与所述蜂窝4的单胞构成若干连通腔体结构，所述内圆筒2上设置有第一微穿孔5，所述波纹芯体3上设置有第二微穿孔6。
优选的，所述蜂窝4为六角蜂窝结构。
所述微穿孔的直径为0.05～1mm。
本发明还公开了一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳制备方法，具体步骤如下：
S1、采用线切割将铝蜂窝切成长方形结构；
S2、采用激光打孔技术在平整过的金属板上穿凿微穿孔，并通过模压或折弯技术将该金属板材制成微穿孔金属波纹板；
S3、将步骤S2制备的所述微穿孔金属波纹板清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，连接成一体，脱模得到微穿孔环形波纹芯体；
S4、将平整过的金属板材切割，通过表面处理去除油污和锈迹，以直径114～133mm的金属圆筒为模具，在其上覆盖所述金属板材并连接成一体，脱模制成外圆筒和内圆筒，所述内圆筒在制备之前，采用激光打孔技术在平整过的金属板上穿凿微穿孔；
S5、对步骤S3制备的所述微穿孔环形波纹芯体、步骤S4制备的外圆筒和内圆筒进行表面处理，去除油污和锈迹后拼装，得到微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳。
S6、将步骤S1制备的所述铝蜂窝进行表面处理，去除油污和锈迹后与S5的所述微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳拼装，得到多功能微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳。
实施例1
1)将清洗过的六角铝蜂窝切割成长方形结构。
2)采用激光打孔技术在平整过的0.2mm厚1060铝板上穿凿微穿孔，微穿孔直径为0.5mm。然后采用模压技术将该金属板材制成微穿孔金属波纹板；
3)将微穿孔金属波纹板在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，在波纹接口处均匀涂覆一层胶粘剂，置于40～60℃烘箱中固化，脱模得到环形金属波纹芯体结构。
所使用胶粘剂为乐泰公司E-120HP环氧胶。
4)将平整过的0.5mm厚1060铝板裁剪为长方形结构，在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹。采用激光打孔技术在平整过的金属板上适当位置穿凿微穿孔，微穿孔直径为0.5mm。以直径114mm不锈钢金属圆筒为模具，在其上覆盖铝板，在铝板接口处均匀涂覆一层胶粘剂，置于40～60℃烘箱中固化，脱模得到微穿孔内圆筒。
所使用胶粘剂为乐泰公司E-120HP环氧胶。
5)将平整过的0.5mm厚1060铝板裁剪为长方形结构，在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，以直径133mm不锈钢金属圆筒为模具，在其上覆盖铝板，在铝板接口处均匀涂覆一层胶粘剂，置于40～60℃烘箱中固化，脱模得到外圆筒。
所使用胶粘剂为乐泰公司E-120HP环氧胶。
6)将微穿孔环形金属波纹芯体、微穿孔内圆筒和外圆筒在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，然后在微穿孔环形金属波纹芯体波纹平台上均匀涂覆一层胶粘剂，将微穿孔环形金属波纹芯体、微穿孔内圆筒和外圆筒组合，置于40～60℃烘箱中固化，得到波纹点阵金属夹芯圆柱壳。得到微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳。
所使用胶粘剂为乐泰公司E-120HP环氧胶。
7)将切割好的铝蜂窝进行表面处理，去除油污和锈迹，在表面均匀涂覆一层胶粘剂，将铝蜂窝与微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳组合，置于40～60℃烘箱中固化，制备得到多功能微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳。
实施例2
1)将清洗过的六角铝蜂窝切割成长方形结构。
2)采用激光打孔技术在平整过的0.2mm厚304不锈钢板上穿凿微穿孔，微穿孔直径为0.5mm。然后采用模压技术将该金属板材制成微穿孔金属波纹板；
3)将微穿孔金属波纹板在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，并在环形波纹与模具间放置一层高硅氧玻璃纤维带以防止波纹芯体与模具焊接。在波纹接口处均匀涂抹NiCr25P10钎焊膏，在烘箱中40～50℃烘干，然后将上述结构装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉，依次拆卸模具，脱模得到环形金属波纹芯体结构。
所述钎焊：真空度控制在10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h；
4)将平整过的0.5mm厚不锈钢板裁剪为长方形结构，在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹。采用激光打孔技术在平整过的金属板上适当位置穿凿微穿孔，微穿孔直径为0.5mm。以直径114mm不锈钢金属厚壁圆筒为模具，在其上覆盖板材，在板材接口处均匀涂抹NiCr25P10钎焊膏，并在圆筒与模具间放置一层高硅氧玻璃纤维带以防止圆筒与模具焊接。在烘箱中40～50℃烘干，然后将上述结构装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓慢冷却至室温出炉，脱模得到微穿孔内圆筒。
所述钎焊：真空度控制在10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h；
5)将平整过的0.5mm不锈钢板材裁剪为长方形结构，在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，以直径133mm不锈钢金属厚壁圆筒为模具，在其上覆盖板材，并在圆筒与模具间放置一层高硅氧玻璃纤维带以防止圆筒与模具焊接。在板材接口处均匀涂抹NiCr25P10钎焊膏，在烘箱中40～50℃烘干，然后将上述结构装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓慢冷却至室温出炉，脱模得到外圆筒。
所述钎焊：真空度控制在10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h；
6)将微穿孔环形金属波纹芯体、微穿孔内圆筒和外圆筒在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，然后在微穿孔环形金属波纹芯体波纹平台上均匀涂抹NiCr25P10钎焊膏，将微穿孔环形金属波纹芯体、微穿孔内圆筒和外圆筒组合，置于40～60℃烘箱中固化，在烘箱中40～50℃烘干，然后将上述结构装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓慢冷却至室温出炉得到波纹点阵金属夹芯圆柱壳；
所述钎焊：真空度控制在10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h；
7)将切割好的铝蜂窝进行表面处理，去除油污和锈迹，在表面均匀涂覆一层胶粘剂，将铝蜂窝与微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳组合，置于40～60℃烘箱中固化，制备得到多功能微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳。
经实验与有限元仿真分析发现，针对于轴压载荷，相较于空心波纹夹芯圆筒，蜂窝与波纹复合后的单位质量轴压强度增加153％，单位质量能量吸收增加484％；相较于单独的蜂窝，复合夹芯圆筒单位质量轴压强度增加83％，单位质量能量吸收增加20％。在蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳的内侧面板和波纹板上穿凿微穿孔后，在中低频范围(10～3000Hz，人耳比较敏感的频率范围)声波垂直入射条件下，微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯壳的平均吸声系数比微穿孔型蜂窝夹芯壳高出62％，最大吸声系数提高了10％，0.5吸声倍频程提高了120％。
请参阅图3，为蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳轴压实验得到的应力应变曲线。黑色实线为蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳轴压下的应力应变曲线，黑色虚线为各独立组件轴向压缩的应力应变曲线之和，阴影部分表示蜂窝-波纹复合点阵夹芯壳相对其各独立组件在轴向压缩下的耦合增强效应。
请参阅图4，为微穿孔型波纹-蜂窝复合结构、微穿孔板加蜂窝结构以及仅面板穿孔的蜂窝-波纹复合结构数值仿真得到吸声系数-频率关系曲线。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳，其特征在于，包括外圆筒(1)、内圆筒(2)和波纹芯体(3)，所述波纹芯体(3)环形设置在所述外圆筒(1)和内圆筒(2)之间，在所述波纹芯体(3)、外圆筒(1)和内圆筒(2)之间设置有蜂窝(4)，在所述内圆筒(2)和波纹芯体(3)上分别设置有微穿孔，所述蜂窝(4)、波纹芯体(3)与外圆筒(1)和内圆筒(2)连接构成微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳。
2.根据权利要求1所述的一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳，其特征在于，每个所述微穿孔与所述蜂窝(4)的单胞构成若干连通腔体结构。
3.根据权利要求1所述的一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳，其特征在于，所述微穿孔的直径为0.05～1mm。
4.根据权利要求1所述的一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳，其特征在于，所述蜂窝(4)为六角蜂窝结构。
5.根据权利要求4所述的一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳，其特征在于，所述蜂窝(4)由铝制备而成。
6.根据权利要求1所述的一种蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳，其特征在于，所述波纹芯体(3)、内圆筒(2)和外圆筒(1)采用铝合金、钛合金或不锈钢制成。
7.一种制备权利要求1所述圆柱壳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用线切割将铝蜂窝切成长方形结构；
S2、采用激光打孔技术在平整过的金属板上穿凿微穿孔，并通过模压或折弯技术将该金属板材制成微穿孔金属波纹板；
S3、将步骤S2制备的所述微穿孔金属波纹板清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，连接成一体，脱模得到微穿孔环形波纹芯体；
S4、将平整过的金属板材切割，通过表面处理去除油污和锈迹，以直径114～133mm的金属圆筒为模具，在其上覆盖所述金属板材并连接成一体，脱模制成外圆筒和内圆筒，所述内圆筒在制备之前，采用激光打孔技术在平整过的金属板上穿凿微穿孔；
S5、对步骤S3制备的所述微穿孔环形波纹芯体、步骤S4制备的外圆筒和内圆筒进行表面处理，去除油污和锈迹后拼装，得到微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳；
S6、将步骤S1制备的所述铝蜂窝进行表面处理，去除油污和锈迹后与S5的所述微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳拼装，得到多功能微穿孔型蜂窝-波纹复合点阵夹芯圆柱壳。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述波纹芯体、内圆筒、外圆筒采用胶接或焊接方式连接。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述胶接采用环氧树脂胶作为胶结剂，所述焊接采用钎焊方式，真空度为10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10～60min。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于，所述蜂窝与微穿孔波纹点阵夹芯圆柱壳采用胶接方式连接。
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