CN110978666A - 一种仿海鸥羽轴结构的复合夹层板 - Google Patents
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Abstract
一种仿海鸥羽轴结构的复合夹层板属复合材料技术领域，本发明的上面板组件、变截面管组和下面板组件自上而下顺序排列，其中变截面管组的8‑10根变截面管在上面板组件的凹槽板内自左至右排列并固接,与上面板组件的凹槽板固接，与下面板组件的上板Ⅱ固接；上面板组件中瓦楞板Ⅰ的纵向与变截面管组的8‑10根变截面管纵向平行或交叉呈直角；下面板组件的上板Ⅱ上面与上面板组件的凹槽板下面固接。下面板组件中瓦楞板Ⅱ的纵向与变截面管组的8‑10根变截面管纵向平行或交叉呈直角。本发明能提高复合夹层板的强度和刚度，上、下面板瓦楞板结构可在尽可能保证强度的前提下减轻整体质量，截面形状自然过渡的变截面管可提高弯曲强度。
Description
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种具有海鸥羽轴结构的仿生复合夹层板。
背景技术
当发生碰撞或冲击时，巨大的瞬时冲击会对结构造成破坏。为了保证结构在受到巨大冲 击后尽量保持完整，降低事故的损害程度，各种轻质夹层板结构应运而生。夹层板受到撞击 载荷作用时，通过可控的方式依靠自身的塑性变形产生压溃行程，将冲击动能迅速转化成变 形势能，达到吸收和耗散能量的目的，从而起到保护结构的作用。因此，设计出一种轻量且 吸能特性高的夹层板，用作车辆的覆盖元件，如汽车发动机罩板、车身外表等，对于车体轻 量化设计和乘员的安全保护具有很高的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于针对现有以管为夹芯的夹层板和波纹状夹芯的夹层板的吸能效果不 好、质量大的缺点，提供一种以变截面管为特征的仿海鸥羽轴结构的复合夹层板，本发明可 有效提高碰撞发生时单位质量的夹层板吸收能量的能力。
本发明由上面板组件A、变截面管组B和下面板组件C组成，上面板组件A、变截面管组 B和下面板组件C自上而下顺序排列，其中变截面管组B的8-10根变截面管4在上面板组件 A的凹槽板3内自左至右排列并固接,与上面板组件A的凹槽板3固接，与下面板组件C的上板Ⅱ5固接；上面板组件A中瓦楞板Ⅰ2的纵向与变截面管组B的8-10根变截面管4纵向 平行或交叉呈直角；下面板组件C的上板Ⅱ5上面与上面板组件A的凹槽板3下面固接。下 面板组件C中瓦楞板Ⅱ6的纵向与变截面管组B的8-10根变截面管4纵向平行或交叉呈直角。
所述的上面板组件A由上板Ⅰ1、瓦楞板Ⅰ2和凹槽板3组成，上板Ⅰ1、瓦楞板Ⅰ2和凹槽板3自上而下排列并顺序固接；上板Ⅰ1的厚度为0.1-0.2mm，瓦楞板Ⅰ2的横截面为正 弦曲线，厚度为0.1-0.2mm，振幅为1.8-2.0mm，周期为3.6-4.0mm，凹槽板3的厚度为 0.8-1.0mm。
所述的变截面管组B由8-10根变截面管4组成，变截面管4前端呈圆形，圆的外径D1为10.0mm，圆的内径D2为8.0mm，圆变截面管4后端呈正方形，内正方形的边长L1为8.3mm， 外正方形的边长L2为10.0mm；变截面管4的外围自前至后圆滑过渡，过渡线是ab两点之间 的曲线S1，其中a点位于变截面管4的外圆端面上，a点到圆心的连线与水平方向正向夹角 为60°，b点位于变截面管4的外正方形端面上，b点到正方形对角线中心的连线与水平方向 正向夹角为135°，S1的数学表达式为：
y＝0.0009x2-0.08x+9.33
式中：x为：0～97mm。
变截面管4的内孔自前至后圆滑过渡，过渡线是cd两点之间的曲线S2，其中c点位于变 截面管4的内圆端面上，c点到圆心的连线与水平方向正向夹角为60°，d点位于变截面管4 的内正方形端面上，d点到正方形对角线中心的连线与水平方向正向夹角为135°，S2的数学 表达式为：
y＝0.0009x2-0.08x+8.46
式中：x为：0～97mm。
所述的下面板组件C由上板Ⅱ5、瓦楞板Ⅱ6和下板7组成，上板Ⅱ5、瓦楞板Ⅱ6和下板 7自上而下排列并顺序固接；上板Ⅱ5和下板7的厚度均为0.1-0.2mm，瓦楞板Ⅱ6的横截面 为正弦曲线，厚度为0.1-0.2mm，振幅为0.8-1.0mm，周期为1.8-2.0mm。
所述上面板组件A中上板Ⅰ1、瓦楞板Ⅰ2、凹槽板3和下面板组件C中上板Ⅱ5、瓦楞板Ⅱ6、下板7的材料为碳钢，变截面管组B中变截面管4的材料为铝合金。
本发明结合仿生学原理与吸能部件抗撞性能理论，通过对比分析，选取海鸥羽轴作为仿 生夹层板优化设计的生物原型，通过试验分析确定影响海鸥羽轴吸能特性的主要特征，并合 理应用到仿生复合夹层板的设计中，以此来设计出一种具有单位质量吸能能力较高的仿生夹 层板。
本发明根据海鸥羽轴的宏微观结构和力学性能的关系以及羽轴由外部皮质和内部髓质组 成的结构特点，提取出影响羽轴力学性能的结构特征参数。根据羽轴外部皮质强度高于内部 髓质，设计夹层板面板和夹芯层材料不同；根据迎风侧和背风侧的羽轴皮质厚度不等，设计 仿生夹层板的上、下面板厚度不等；根据皮质由多层纤维紧密压接而成的特点，对其进行了 简化，并受皮质和髓质之间不规则形状突起的启发，设计仿生夹层板的上、下面板组件采取 由两板中间夹着瓦楞板的形式；根据海鸥羽轴的截面形状从根部到顶部由圆形自然过渡到方 形来更好抵抗冲击载荷的特点，同时为减轻质量，设计以变截面管为夹芯的夹芯层。海鸥羽 轴的宏微观结构对于其优异的力学性能有重要影响，这对仿生复合夹层板的设计和研究提供 了重要的启发。海鸥羽轴质量很轻，由外部皮质和内部髓质组成，在受到狂风或者海浪的冲 击时可以通过屈曲来吸收能量，抵抗变形，仿生夹层板也能过塑性弯曲、压缩等变形形式来 吸收碰撞动能。
本发明的有益效果在于：
本发明单位质量夹层板的吸能效果显著提高，同时能减轻质量。
将变截面管状夹芯的复合结构填充在上、下面板之间，同时上面板采取的下部承载下面 板的整体包裹结构，能提高复合夹层板的强度和刚度，上、下面板瓦楞板结构可在尽可能保 证强度的前提下减轻整体质量，截面形状自然过渡的管状夹芯可以提高弯曲强度。
附图说明
图1为仿海鸥羽轴结构的复合夹层板的结构示意图
图2为仿海鸥羽轴结构的复合夹层板的结构爆炸图
图3为上面板组件A的结构示意图
图4为变截面管4的主视图
图5为变截面管4的照片
图6为变截面管4的前视图
图7为变截面管4的后视图
图8为变截面管4的右视图
图9为下面板组件C的结构示意图
图10为本发明与以圆管和方管为夹芯的普通面板、仿生面板夹层板、以波纹状瓦楞板夹 芯的普通夹层板的力-位移曲线对比
图11为本发明与以圆管和方管为夹芯的普通面板、仿生面板夹层板、以波纹状瓦楞板夹 芯的普通夹层板的比吸能对比
其中：A.上面板组件 B.变截面管组 C.下面板组件 1.上板Ⅰ 2.瓦楞板Ⅰ 3.凹 槽板 4.变截面管 5.上板Ⅱ 6.瓦楞板Ⅱ 7.下板
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述
如图1和图2所示，本发明由上面板组件A、变截面管组B和下面板组件C组成，上面板组件A、变截面管组B和下面板组件C自上而下顺序排列，其中变截面管组B的8-10根变 截面管4在上面板组件A的凹槽板3内自左至右排列并固接,与上面板组件A的凹槽板3固 接，与下面板组件C的上板Ⅱ5固接；上面板组件A中瓦楞板Ⅰ2的纵向与变截面管组B的 8-10根变截面管4纵向平行或交叉呈直角；下面板组件C的上板Ⅱ5上面与上面板组件A的 凹槽板3下面固接。下面板组件C中瓦楞板Ⅱ6的纵向与变截面管组B的8-10根变截面管4 纵向平行或交叉呈直角。
如图3所示，所述的上面板组件A由上板Ⅰ1、瓦楞板Ⅰ2和凹槽板3组成，上板Ⅰ1、 瓦楞板Ⅰ2和凹槽板3自上而下排列并顺序固接；上板Ⅰ1的厚度为0.1-0.2mm，瓦楞板Ⅰ2 的横截面为正弦曲线，厚度为0.1-0.2mm，振幅为1.8-2.0mm，周期为3.6-4.0mm，凹槽 板3的厚度为0.8-1.0mm。
如图4至图8所示，所述的变截面管组B由8-10根变截面管4组成，变截面管4前端呈圆形，圆的外径D1为10.0mm，圆的内径D2为8.0mm，圆变截面管4后端呈正方形，内正方 形的边长L1为8.3mm，外正方形的边长L2为10.0mm；变截面管4的外围自前至后圆滑过渡， 过渡线是ab两点之间的曲线S1，其中a点位于变截面管4的外圆端面上，a点到圆心的连线 与水平方向正向夹角为60°，b点位于变截面管4的外正方形端面上，b点到正方形对角线中 心的连线与水平方向正向夹角为135°，S1的数学表达式为y＝0.0009x2-0.08x+9.33，式中： x为：0～97mm。
变截面管4的内孔自前至后圆滑过渡，过渡线是cd两点之间的曲线S2，其中c点位于变 截面管4的内圆端面上，c点到圆心的连线与水平方向正向夹角为60°，d点位于变截面管4 的内正方形端面上，d点到正方形对角线中心的连线与水平方向正向夹角为135°，S2的数学 表达式为y＝0.0009x2-0.08x+8.46，式中：x为：0～97mm。
如图9所示，所述的下面板组件C由上板Ⅱ5、瓦楞板Ⅱ6和下板7组成，上板Ⅱ5、瓦楞板Ⅱ6和下板7自上而下排列并顺序固接；上板Ⅱ5和下板7的厚度为0.1-0.2mm，瓦楞 板Ⅱ6的横截面为正弦曲线，厚度为0.1-0.2mm，振幅为0.8-1.0mm，周期为1.8-2.0mm。
所述上面板组件A中上板Ⅰ1、瓦楞板Ⅰ2、凹槽板3和下面板组件C中上板Ⅱ5、瓦楞板Ⅱ6、下板7的材料为碳钢，其屈服强度430MPa、泊松比0.3、密度7.85×10-6kg/mm3、弹 性模量210GPa，变截面管组B中变截面管4的材料为铝合金，其屈服强度276MPa、泊松 比0.33、密度2.73×10-6kg/mm3、硬度为95HB、弹性模量为68.9GPa。
以下根据有限元分析软件ABAQUS模拟仿海鸥羽轴结构的复合夹层板的能量吸收特性，并 与以方管为夹芯的普通夹层板、分别以圆管和方管为夹芯但面板为仿生面板的夹层板、以波 纹状瓦楞板为夹芯的普通夹层板进行对比，各夹层板相应部位的尺寸、材料相同，仅结构不 同。初始冲击速度v＝20m/s，冲击物体的质量为5Kg，初始位置距离上面板20mm处。变 截面管状夹芯，圆的外径D1为10mm，内径D2为8mm，内正方形的边长L1为8.3mm，外正方 形边长L2为10mm，两管中心之间距离为10mm；上面板组件A的上板Ⅰ1厚度为0.1mm，瓦楞板Ⅰ2采用正弦曲线，厚度为0.1mm，振幅为1.8mm，周期为4mm,波纹数为24，凹槽板 3厚度为1mm。下面板组件C的上板Ⅱ5、下板7厚度为0.1mm，瓦楞板Ⅱ6采用正弦曲线， 厚度为0.1mm，振幅为0.8mm，周期为2mm，波纹数为45。固定夹层板四个侧面的所有自 由度，冲击物体只具备垂直向下的冲击速度。采取比吸能反映夹层板的抗冲击性能，比吸能 越大，夹层板的缓冲效果就越好。
比吸能
E为吸收的总能量，m为夹层板的质量，F为瞬时载荷，δ为某时刻轴向载荷下，夹层板 的变形位移。
如图10和图11所示，仿生变截面管板的比吸能较其他夹芯板有所提高。
Claims (5)
1.一种仿海鸥羽轴结构的复合夹层板，其特征在于：由上面板组件(A)、变截面管组(B)和下面板组件(C)组成，上面板组件(A)、变截面管组(B)和下面板组件(C)自上而下顺序排列，其中变截面管组(B)的8-10根变截面管(4)在上面板组件(A)的凹槽板(3)内自左至右排列并固接,与上面板组件(A)的凹槽板(3)固接，与下面板组件(C)的上板Ⅱ(5)固接；上面板组件(A)中瓦楞板Ⅰ(2)的纵向与变截面管组(B)的8-10根变截面管(4)纵向平行或交叉呈直角；下面板组件(C)的上板Ⅱ(5)上面与上面板组件(A)的凹槽板(3)下面固接；下面板组件(C)中瓦楞板Ⅱ(6)的纵向与变截面管组(B)的8-10根变截面管(4)纵向平行或交叉呈直角。
2.按权利要求1所述的仿海鸥羽轴结构的复合夹层板，其特征在于：所述的上面板组件(A)由上板Ⅰ(1)、瓦楞板Ⅰ(2)和凹槽板(3)组成，上板Ⅰ(1)、瓦楞板Ⅰ(2)和凹槽板(3)自上而下排列并顺序固接；上板Ⅰ(1)的厚度为0.1-0.2mm，瓦楞板Ⅰ(2)的横截面为正弦曲线，厚度为0.1-0.2mm，振幅为1.8-2.0mm，周期为3.6-4.0mm，凹槽板(3)的厚度为0.8-1.0mm。
3.按权利要求1所述的仿海鸥羽轴结构的复合夹层板，其特征在于：所述的变截面管组(B)由8-10根变截面管(4)组成，变截面管(4)前端呈圆形，圆的外径D1为10.0mm，圆的内径D2为8.0mm，圆变截面管(4)后端呈正方形，内正方形的边长L1为8.3mm，外正方形的边长L2为10.0mm；变截面管(4)的外围自前至后圆滑过渡，过渡线是ab两点之间的曲线S1，其中a点位于变截面管(4)的外圆端面上，a点到圆心的连线与水平方向夹角为60°，b点位于变截面管(4)的外正方形端面上，b点到正方形对角线中心的连线与水平方向正向夹角为135°，S1的数学表达式为：
y＝0.0009x2-0.08x+9.33
其中：x为：0～97mm；
变截面管(4)的内孔自前至后圆滑过渡，过渡线是cd两点之间的曲线S2，其中c点位于变截面管(4)的内圆端面上，c点到圆心的连线与水平方向夹角为60°，d点位于变截面管(4)的内正方形端面上，d点到正方形对角线中心的连线与水平方向正向夹角为135°，S2的数学表达式为：
y＝0.0009x2-0.08x+8.46
其中：x为：0～97mm。
4.按权利要求1所述的仿海鸥羽轴结构的复合夹层板，其特征在于：所述的下面板组件(C)由上板Ⅱ(5)、瓦楞板Ⅱ(6)和下板(7)组成，上板Ⅱ(5)、瓦楞板Ⅱ(6)和下板(7)自上而下排列并顺序固接；上板Ⅱ(5)和下板(7)的厚度均为0.1-0.2mm，瓦楞板Ⅱ(6)的横截面为正弦曲线，厚度为0.1-0.2mm，振幅为0.8-1.0mm，周期为1.8-2.0mm。
5.按权利要求1所述的仿海鸥羽轴结构的复合夹层板，其特征在于：所述上面板组件(A)中上板Ⅰ(1)、瓦楞板Ⅰ(2)、凹槽板(3)和下面板组件(C)中上板Ⅱ(5)、瓦楞板Ⅱ(6)、下板(7)的材料为碳钢，变截面管组(B)中变截面管(4)的材料为铝合金。
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| CN114673747A (zh) * | 2022-03-08 | 2022-06-28 | 江苏大学 | 一种基于墨鱼骨的仿生抗爆吸能板及防护部件或汽车部件 |
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