CN113844113A - 一种基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，包括蜂窝板和隔板，所述隔板为三浦折叠型结构，所述蜂窝板和隔板相互叠加组合而成，所述蜂窝板由两种不同参数的三浦折叠型结构组成，两种结构在接触面的形状相同，能在顶端及底端折痕处完全重合，所述隔板与蜂窝板结构形状吻合，并与每个蜂窝板单元的底端相连；本发明可根据不同的耗能设计要求，通过调节蜂窝板与隔板的参数来调整各个方向的刚度，具有良好的面内刚度、面内抗剪切性、连通性和耗能能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，属于蜂窝板技术领域。
背景技术
蜂窝材料作为一种高效环保的缓冲耗能材料，以其轻质高强的性能在航天航空和交通领域都有广泛的应用。传统的蜂窝板通常采用六面体柱形结构，或是在此基础上进行优化改进，利用蜂窝结构承受面外荷载时的变形达到耗能效果，是一种充分利用材料性能的优良结构。但其缺点同样明显，传统蜂窝板的面内承载能力远低于面外承载能力，导致结构在受到有面内方向的冲击荷载时，面内破坏先于面外破坏，使得不能充分发挥蜂窝板的承载性能。其次，传统蜂窝具有封闭性，一经制作，蜂窝板内部与外部完全分隔开，导致蜂窝板内部在使用过程中发生水气凝结且无法排出，进而导致材料腐蚀。
随着社会的发展，对使用材料的要求越来越高，耗能材料承受荷载的方向不确定性大大限制了传统蜂窝的适用空间；同时，为了满足环保要求，提升材料的使用寿命也是必不可少的要求。然而，在不改变结构形式的情况下，对传统六边形蜂窝结构进行改动难以有效提升蜂窝板的面内刚度及使用寿命。
发明内容
本发明提供一种基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，可以提升蜂窝板的面内刚度、抗剪切能力以及使用寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，包括若干蜂窝板和若干隔板，相邻两块隔板之间铺设蜂窝板；
所述蜂窝板包括若干叠设的蜂窝板组，每个蜂窝板组又包含若干顺次连接铺设的蜂窝单元，每个蜂窝单元包括高层结构与低层结构，高层结构与低层结构均为三浦折叠型结构，构成两者的三浦折叠型结构参数不同，且高层结构套设在低层结构顶部，
其中， 高层结构中包括高层横向折痕以及高层竖向折痕，其折痕之间形成高层折痕间夹角，在折叠时高层结构形成高层折叠角，同样的，低层结构中包括低层横向折痕以及低层竖向折痕，其折痕之间形成低层折痕间夹角，在折叠时低层结构形成低层折叠角，高层横向折痕长度大于低层横向折痕，高层折痕间夹角大于低层折痕间夹角；以高层结构与低层结构叠设时同时凸起的方向为Z轴正方向，此处高层折叠角位于低层折叠角上方，且高层折叠角与低层折叠角之前形成高度差，高层结构的两侧与低层结构的两侧部分重合；若干蜂窝单元铺设时，凸起部分形成的连接线方向为X轴，若干蜂窝单元侧边相连的方向为Y轴，建立三维坐标系；
隔板位于三维坐标系的X轴方向；
作为本发明的进一步优选，高层结构的两侧与低层结构的两侧部分重合形成蜂窝单元的侧边，其中高层结构的侧边形成的夹角展开后为高层折痕间夹角的两倍，低层结构的侧边形成的夹角展开后为低层折痕间夹角的两倍；
作为本发明的进一步优选，所述隔板同样为三浦折叠型结构，包括隔板横向折痕以及隔板竖向折痕，其折痕之间形成隔板折痕间夹角，隔板形状与若干蜂窝单元的侧边形状匹配，此时隔板为折叠状，形成隔板折叠角；
作为本发明的进一步优选，高层结构叠设在低层结构时，在坐标系XY平面上的投影重合；
作为本发明的进一步优选，蜂窝板与隔板接触部分采用钎焊连接；
作为本发明的进一步优选，高层结构与低层结构接触部分采用钎焊连接；
作为本发明的进一步优选，所述蜂窝板与所述隔板采用铝板制作；
作为本发明的进一步优选，所述隔板与所述蜂窝板的厚度比为0.1-10。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的蜂窝板包括若干蜂窝单元，其采用三浦折叠型结构作为基本结构形式，在承受面外荷载时，三浦折叠型结构进入展开状态进行耗能，由于每个蜂窝单元又包括高层结构与低层结构，在展开过程中相互约束提高了承载能力；
2、本发明提供的结构中还包括隔板，提升了整个结构的整体性，有效解决三浦折叠型结构强度低且容易被压溃的问题；
3、本发明提供的蜂窝板采用三浦折叠型结构作为基本结构形式，内部结构具有高连通性，促进了蜂窝板内空气流通，有效减少蜂窝板的腐蚀现象，从而提升了蜂窝材料的使用寿命；
4、本发明提供的蜂窝板中，高层结构与低层结构的参数可根据使用要求进行改变，保留了较大的设计空间。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的优选实施例的整体结构示意图；
图2是本发明提供的优选实施例中蜂窝板结构示意图；
图3是本发明提供的优选实施例中隔板结构示意图；
图4是本发明提供的优选实施例中蜂窝单元结构示意图；
图5a-图5c是分别是本发明提供的优选实施例中隔板折叠-展开示意图、高层结构折叠-展开示意图以及底层结构折叠-展开示意图。
图中：1为隔板，11为隔板横向折痕，12为隔板竖向折痕，13为隔板折痕间夹角，14为隔板折叠角，2为蜂窝板，3为高层结构，31为高层横向折痕，32为高层竖向折痕，33为高层折痕间夹角，34为高层折叠角，4为低层结构， 41为低层横向折痕，42为低层竖向折痕，43为低层折痕间夹角，44为低层折叠角。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
现有技术中蜂窝板通常采用六面体柱形结构，其存在两个明显的缺点，一个是面内承载能力远远低于面外承载能力，导致蜂窝板在受到面内方向冲击荷载时，面内破坏先于面外破坏，使其承载性能大大降低；其次，传统的蜂窝板内部为封闭结构，使用过程中发生的水气凝结无法排出，导致材料腐蚀。
因此本申请为了解决现有技术中蜂窝板面内承载能力过低及使用寿命短的缺陷，提出了一种基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，其主要是采用三浦折叠型结构的蜂窝板和隔板，图1是本申请的整体立体结构示意图，从图中可以看出，包括若干蜂窝板2和若干隔板1，相邻两块隔板之间铺设蜂窝板；图2所示，蜂窝板包括若干叠设的蜂窝板组，每个蜂窝板组又包含若干顺次连接铺设的蜂窝单元，为了更好的对蜂窝单元进行阐述，本申请提供了图4，从图4中可以看出，蜂窝单元包括高层结构3与低层结构4，高层结构与低层结构均为三浦折叠型结构，构成两者的三浦折叠型结构参数不同，且高层结构套设在低层结构顶部。
由于高层结构、低层结构均为三浦折叠型结构，因此如图5b所示，高层结构中包括高层横向折痕31以及高层竖向折痕32，其折痕之间形成高层折痕间夹角33，在折叠时高层结构形成高层折叠角34，同样的，如图5c所示，低层结构中包括低层横向折痕41以及低层竖向折痕42，其折痕之间形成低层折痕间夹角43，在折叠时低层结构形成低层折叠角44，由于高层结构是套设在低层结构上的，即高层折叠角位于低层折叠角上方，同时为了保证高层结构的两侧与低层结构的两侧部分重合，因此高层横向折痕长度需要大于低层横向折痕，高层折痕间夹角大于低层折痕间夹角。蜂窝板与隔板接触部分、高层结构与低层结构接触部分均采用钎焊连接。
将若干蜂窝单元铺设形成图1中的结构时，为了方便描述，以高层结构与低层结构叠设时同时凸起的方向为Z轴正方向，若干蜂窝单元铺设时凸起部分形成的连接线方向为X轴，若干蜂窝单元侧边相连的方向为Y轴，建立三维坐标系；也就是说，铺设完毕的结构中，高层结构的底面与低层结构的底面是相互重合的，即高层结构叠设在低层结构上时，在坐标系XY平面上的投影重合，而蜂窝单元是在坐标系的X以及Z方向进行周期性拓展。通过采用三浦折叠型结构作为蜂窝板的基本结构形式，在承受面外荷载时利用蜂窝板中三浦折叠型结构进入展开状态进行耗能，而蜂窝板中两种不同参数的结构（即为高层结构以及低层结构）在展开过程中的变形不协调，使其相互约束从而提高承载能力。
蜂窝板制作完成后，构成蜂窝单元的三浦折叠型结构强度低，且容易被压溃，因此本申请的结构中还包含了隔板，同样采用三浦折叠型结构（如图3所示），在三维坐标系中，隔板是位于三维坐标系的X轴方向，由于高层结构与低层结构具有高度差，因此其决定了隔板在Z方向上的高度。
图5a所示，隔板包括隔板横向折痕11以及隔板竖向折痕12，其折痕之间形成隔板折痕间夹角13；回到高层结构以及低层结构，高层结构的两侧与低层结构的两侧部分重合形成蜂窝单元的侧边，图5b左侧给出了高层结构在展开时的形状示意图，高层结构的侧边形成的夹角展开后为高层折痕间夹角的两倍，同样的，低层结构的侧边形成的夹角展开后为低层折痕间夹角的两倍；隔板形状与若干蜂窝单元的侧边形状匹配，此时隔板为折叠状，形成隔板折叠角14。
隔板的存在极大地提升了蜂窝材料的整体性，在受到面外荷载时，隔板将和蜂窝板一同进入折叠状态而耗能，增强了材料的抗压承载能力；在承受面内荷载时，同样利用蜂窝板中高层结构以及低层结构在变形时的不协调性，提升蜂窝板面内刚度，隔板在约束蜂窝板变形的同时自身也能通过变形消耗一部分能力，从而提升平面内抗剪切性能。
当蜂窝板以及隔板形成了图1所示的结构后，其内部的高连通性促进了蜂窝板内空气流通，因此可以减少蜂窝板水气滞留带来的腐蚀问题，提升了材料的使用寿命。
接着，申请人给出了一个关于本申请的优选实施例，隔板横向折痕长度为10mm，隔板竖向折痕长度为3.9mm，隔板折痕间夹角为77°，隔板折叠角为120°；高层横向折痕长度为21.2mm，高层竖向折痕为10mm，高层折痕间夹角为69°，高层折叠角为90°；低层横向折痕长度为16.8mm，低层竖向折痕为10mm，低层折痕间夹角为63°，低层折叠角为127°；高层结构和低层结构的高度差为7.5mm，即隔板在Z方向上的高度为7.5mm；这里隔板和蜂窝板的厚度均为0.5mm；在经过试验后发现，优选实施例在面内刚度以及面内抗剪切性均有较明显的提高。
综上可知，本申请可根据不同的耗能设计要求，通过调节蜂窝板与隔板的参数来调整各个方向的刚度，具有良好的面内刚度、面内抗剪切性、连通性和耗能能力。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，其特征在于：包括若干蜂窝板（2）和若干隔板（1），相邻两块隔板（1）之间铺设蜂窝板（2）；
所述蜂窝板（2）包括若干叠设的蜂窝板（2）组，每个蜂窝板（2）组又包含若干顺次连接铺设的蜂窝单元，每个蜂窝单元包括高层结构（3）与低层结构（4），高层结构（3）与低层结构（4）均为三浦折叠型结构，构成两者的三浦折叠型结构参数不同，且高层结构（3）套设在低层结构（4）顶部，
其中，高层结构（3）中包括高层横向折痕（31）以及高层竖向折痕（32），其折痕之间形成高层折痕间夹角（33），在折叠时高层结构（3）形成高层折叠角（34），同样的，低层结构（4）中包括低层横向折痕（41）以及低层竖向折痕（42），其折痕之间形成低层折痕间夹角（43），在折叠时低层结构（4）形成低层折叠角（44），高层横向折痕（31）长度大于低层横向折痕（41），高层折痕间夹角（33）大于低层折痕间夹角（43）；以高层结构（3）与低层结构（4）叠设时同时凸起的方向为Z轴正方向，此处高层折叠角（34）位于低层折叠角（44）上方，且高层折叠角（34）与低层折叠角（44）之前形成高度差，高层结构（3）的两侧与低层结构（4）的两侧部分重合；若干蜂窝单元铺设时，凸起部分形成的连接线方向为X轴，若干蜂窝单元侧边相连的方向为Y轴，建立三维坐标系；
隔板（1）位于三维坐标系的X轴方向。
2.根据权利要求1所述的基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，其特征在于：高层结构（3）的两侧与低层结构（4）的两侧部分重合形成蜂窝单元的侧边，其中高层结构（3）的侧边形成的夹角展开后为高层折痕间夹角（33）的两倍，低层结构（4）的侧边形成的夹角展开后为低层折痕间夹角（43）的两倍。
3.根据权利要求2所述的基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，其特征在于：所述隔板（1）同样为三浦折叠型结构，包括隔板横向折痕（11）以及隔板竖向折痕（12），其折痕之间形成隔板折痕间夹角（13），隔板（1）形状与若干蜂窝单元的侧边形状匹配，此时隔板（1）为折叠状，形成隔板折叠角（14）。
4.根据权利要求1所述的基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，其特征在于：高层结构（3）叠设在低层结构（4）时，在坐标系XY平面上的投影重合。
5.根据权利要求1所述的基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，其特征在于：蜂窝板（2）与隔板（1）接触部分采用钎焊连接。
6.根据权利要求1所述的基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，其特征在于：高层结构（3）与低层结构（4）接触部分采用钎焊连接。
7.根据权利要求1所述的基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，其特征在于：所述蜂窝板（2）与所述隔板（1）采用铝板制作。
8.根据权利要求1所述的基于双向堆叠三浦折叠的蜂窝材料，其特征在于：所述隔板（1）与所述蜂窝板（2）的厚度比为0.1-10。
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