CN115157821B - 一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板及其制备方法，其中锥形抗弹点阵夹芯板包括第一基板、第二基板和点阵芯层，第一基板平行于第二基板，点阵芯层位于第一基板与第二基板之间。点阵芯层包括阵列分布成一层的多个胞元结构，胞元结构的第一端与第一基板固连，胞元结构的第二端通过节点与第二基板固连。胞元结构包括沿第一基板向第二基板方向交替设置的薄壁锥筒和杆组，相邻的薄壁锥筒与杆组固连，杆组的数量与薄壁锥筒的数量相同。相比于现有技术，本发明通过薄壁锥筒与杆组相结合的形式提高抗弹性能。

Description

一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板及其制备方法

技术领域

本发明涉及点阵夹芯板技术领域，特别是涉及一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板及其制备方法。

背景技术

现有的抗弹点阵夹芯板点阵结构中，三维点阵胞元结构均为杆单元组成，而二维点阵胞元又均为面延拓而成，两者均不具备在高速弹道冲击情况下的强抗冲击特性。三维点阵结构受弹道冲击而破坏，杆单元被击碎且会对夹芯板造成二次破坏。二维点阵由于其面结构特性，一般由硬度较低的材料构成，并不能有效削弱高速冲击子弹的动能。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板及其制备方法，通过薄壁锥筒与杆组相结合的形式提高抗弹性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明公开了一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，包括第一基板、第二基板和点阵芯层，所述第一基板平行于所述第二基板，所述点阵芯层位于所述第一基板与所述第二基板之间；

所述点阵芯层包括阵列分布成一层的多个胞元结构，所述胞元结构的第一端与所述第一基板固连，所述胞元结构的第二端通过节点与所述第二基板固连；所述胞元结构包括沿所述第一基板向所述第二基板方向交替设置的薄壁锥筒和杆组，相邻的所述薄壁锥筒与所述杆组固连，所述杆组的数量与所述薄壁锥筒的数量相同；所述薄壁锥筒的外锥面共面；所述杆组包括多个斜杆，多个所述斜杆在所述薄壁锥筒的轴线的圆周方向均布，所述斜杆的轴线与所述薄壁锥筒的轴线共面，所述斜杆的轴线与所述薄壁锥筒的轴线的夹角为所述薄壁锥筒的锥角的一半。

优选地，所述薄壁锥筒的锥角为九十度。

优选地，多个所述胞元结构呈矩形阵列分布。

优选地，所述薄壁锥筒和所述杆组均为两个。

优选地，所述杆组包括六个所述斜杆。

本发明还公开了一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板的制备方法，用于制备上述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，包括如下步骤：

S1、通过电弧熔丝增材制造的方式，在所述第一基板上形成所述薄壁锥筒；通过电弧熔丝增材制造的方式，在所述薄壁锥筒小径端的端面形成所述杆组；

S2、当所述薄壁锥筒和所述杆组均为多个时，重复步骤S1，直至得到所述胞元结构；

S3、重复步骤S1和S2，以在已制备的所述胞元结构附近，再相邻制备所述胞元结构，直至得到预设数量的所述胞元结构，至此得到所述点阵芯层；

S4、在所述第二基板上开孔，将所述胞元结构远离所述第一基板的一端放入孔中，通过电弧熔丝增材制造的方式，在所述胞元结构远离所述第一基板的一端与所述第二基板之间堆叠金属沉积层，形成所述节点，至此得到所述薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板。

优选地，所述电弧熔丝增材制造的方式为：将金属丝向前送进，通过焊枪使所述金属丝的前端在深入电弧区域时受热熔化，形成金属熔滴，所述金属熔滴从所述金属丝上下落，经过多个所述熔滴的连续堆叠、凝固的制造方式。

优选地，所述金属丝在送丝铜管中送进，所述焊枪的尖端为钨极，所述钨极用于发散电弧。

优选地，步骤S1中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备所述薄壁锥筒时，具体包括如下步骤：

S11、所述焊枪在所述第一基板或所述杆组上方沿圆形扫描路径以恒定的速度移动，以堆叠一层圆环形的金属沉积层；

S12、所述焊枪沿所述薄壁锥筒的母线，朝远离所述第一基板的方向移动预设步距；

S13、所述焊枪在已堆叠的所述金属沉积层上方沿圆形扫描路径以恒定的速度移动，在已堆叠的所述金属沉积层上方形成与其同心的金属沉积层；

S14、重复步骤S12～S13，直至得到预设金属沉积层层数的所述薄壁锥筒。

优选地，步骤S1中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备所述杆组时，具体包括如下步骤：

S15、所述焊枪在所述薄壁锥筒的顶部端面上形成一层金属沉积层；

S16、所述焊枪沿所述斜杆的轴线方向，朝远离所述第一基板的方向移动预设步距；

S17、所述焊枪在已堆叠的所述金属沉积层上方形成新的金属沉积层；

S18、重复步骤S16～S17，直至得到预设金属沉积层层数的所述斜杆；

S19、重复步骤S15～S18，在已制备的所述斜杆附近制备新的所述斜杆，直至得到所述杆组。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明采用了薄壁锥筒与杆组的复合胞元设计思路，同其它结构的点阵夹芯板抗弹实验结果对比，本发明提出的抗弹夹芯板在相同弹丸，相同初始发射速度的前提下，穿透夹芯板后的剩余速度更小，说明弹丸能量损失更大，明显提高了抗弹冲击性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为胞元结构的部分结构示意图；

图2为胞元结构的示意图；

图3为第二基板上开孔位置示意图；

图4为本实施例薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板的示意图；

图5为薄壁锥筒的制备过程示意图；

图6为斜杆的制备过程示意图；

图7为节点的制备过程示意图；

图8为薄壁锥筒制备过程的又一示意图；

附图标记说明：1-第一基板；2-第一薄壁锥筒；3-第一斜杆Ⅰ；4-第一斜杆Ⅱ；5-第一斜杆Ⅲ；6-第一斜杆Ⅳ；7-第一斜杆Ⅴ；8-第一斜杆Ⅵ；9-第二薄壁锥筒；10-第二斜杆Ⅰ；11-第二斜杆Ⅱ；12-第二斜杆Ⅲ；13-第二斜杆Ⅳ；14-第二斜杆Ⅴ；15-第二斜杆Ⅵ；16-胞元结构；17-第二基板；18-圆孔；19-焊枪；20-送丝铜管；21-金属丝；22-熔滴；23-制备薄壁锥筒时焊枪的扫描路径；24-制备斜杆时焊枪的扫描路径；25-第N层金属沉积层；26-第N+1层金属沉积层；27-节点；28-第一熔滴；29-第二熔滴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板及其制备方法，通过二维与三维相结合的形式提高抗弹性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

参照图1～图7，本实施例提供一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，包括第一基板1、第二基板17和点阵芯层，第一基板1平行于第二基板17，点阵芯层位于第一基板1与第二基板17之间。

其中，点阵芯层包括阵列分布成一层的多个胞元结构16，胞元结构16的第一端与第一基板1固连，胞元结构16的第二端通过节点27与第二基板17固连。胞元结构16包括沿第一基板1向第二基板17方向交替设置的薄壁锥筒和杆组，相邻的薄壁锥筒与杆组固连。杆组的数量与薄壁锥筒的数量相同，即第一基板1与胞元结构16底部的薄壁锥筒固连，第二基板17与胞元结构16顶部的杆组通过节点27固连。薄壁锥筒的外锥面共面。杆组包括多个斜杆，多个斜杆在薄壁锥筒的轴线的圆周方向均布，斜杆的轴线与薄壁锥筒的轴线共面，斜杆的轴线与薄壁锥筒的轴线的夹角为薄壁锥筒的锥角的一半。杆组的尖端与薄壁锥筒的尖端均朝向第二基板。

该薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板在结构上采用了薄壁锥筒与杆组的复合胞元设计思路，同其它结构的点阵夹芯板抗弹实验结果对比，本实施例提出的抗弹夹芯板在相同弹丸，相同初始发射速度的前提下，穿透夹芯板后的剩余速度更小，说明弹丸能量损失更大，弹道冲击极限比传统点阵夹芯板高30％。明显提高了抗弹冲击性能。

对本实施例的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，以及传统的金字塔型点阵夹芯板(两者胞元数量相同)，分别进行弹道冲击实验。弹丸为球形，直径4mm，初速度是200m/s，在距离第二基板17中心位置30mm处进行入射。测量结果显示，对于本实施例的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，弹丸的射出速度是125.4m/s。对于传统金字塔点阵夹芯板，弹丸的射出速度是182.7m/s。根据能量守恒方程，本实施例的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板在冲击过程中吸收了更多的冲击能量，造成弹丸的能量损失更大，其抗弹冲击效果比传统的金字塔点阵好。另外，从弹道实验后第一基板1上弹丸穿孔效果看，本实施例中第一基板1上弹丸穿孔直径是6.2mm，而传统金字塔夹芯板的弹丸穿孔直径是8.3mm。两者对比，说明传统金字塔夹芯板侵彻过程中，有部分芯层受冲击断裂后，破碎的杆随着弹丸同时高速破坏而出。此结果表明本实施例的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，其抵抗冲击侵彻破坏的效果比传统的金字塔夹芯板高。

作为一种可能的示例，薄壁锥筒的锥角为九十度，即斜杆与第一基板1的夹角为四十五度。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可选择其它角度，例如薄壁锥筒的锥角为一百度，斜杆与第一基板1的夹角为五十度。

作为一种可能的示例，多个胞元结构16呈矩形阵列分布。然而，实际实施方式不限于此，例如多个胞元结构16也可呈圆形阵列分布。

作为一种可能的示例，在同一个胞元结构16中，薄壁锥筒和杆组均为两个，包括第一薄壁锥筒2、第二薄壁锥筒9、第一杆组和第二杆组。根据实际需要的不同，本领域技术人员也可以选择薄壁锥筒和杆组均为一个或三个以上。

作为一种可能的示例，杆组包括六个斜杆。其中，第一杆组包括第一斜杆Ⅰ3、第一斜杆Ⅱ4、第一斜杆Ⅲ5、第一斜杆Ⅳ6、第一斜杆Ⅴ7、第一斜杆Ⅵ8，第二杆组包括第二斜杆Ⅰ10、第二斜杆Ⅱ11、第二斜杆Ⅲ12、第二斜杆Ⅳ13、第二斜杆Ⅴ14、第二斜杆Ⅵ15。然而，实际实施方式不限于此，例如杆组也可以包括八个斜杆。

参照图5～图7，本实施例还提供一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板的制备方法，用于制备上述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，包括如下步骤：

S1、通过电弧熔丝增材制造的方式，在第一基板1上形成薄壁锥筒。通过电弧熔丝增材制造的方式，在薄壁锥筒小径端的端面形成杆组。

S2、当薄壁锥筒和杆组均为多个时，重复步骤S1，直至得到胞元结构16。

S3、重复步骤S1和S2，以在已制备的胞元结构16附近，再相邻制备胞元结构16，直至得到预设数量的胞元结构16，至此得到点阵芯层。

S4、在第二基板17上开孔，将胞元结构16远离第一基板1的一端放入孔中，通过电弧熔丝增材制造的方式，在胞元结构16远离第一基板1的一端(即胞元结构16中顶部的杆组远离第一基板1的一端)与第二基板17之间堆叠金属沉积层，形成节点27，至此得到薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板。

本实施例中，电弧熔丝增材制造的方式为：将金属丝21向前送进，通过焊枪19使金属丝21的前端在深入电弧区域时受热熔化，形成金属熔滴22，金属熔滴22从金属丝21上下落，经过多个熔滴22的连续堆叠、凝固的制造方式。

作为一种可能的示例，金属丝21在送丝铜管20中送进，焊枪19的尖端为钨极，钨极用于发散电弧。焊枪19和送丝铜管20通过夹具固定在设备上，两者不能各自移动，只能一起移动。

作为一种可能的示例，步骤S1中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备薄壁锥筒时，具体包括如下步骤：

S11、焊枪19在第一基板1或杆组上方沿圆形扫描路径以恒定的速度移动，以堆叠一层圆环形的金属沉积层。

S12、焊枪19沿薄壁锥筒的母线，朝远离第一基板1的方向移动预设步距。

S13、焊枪19在已堆叠的金属沉积层上方沿圆形扫描路径以恒定的速度移动，在已堆叠的金属沉积层上方形成与其同心的金属沉积层。

S14、重复步骤S12～S13，直至得到预设金属沉积层层数的薄壁锥筒。

制备薄壁锥筒时，可以采用以下工艺参数：平均电流214A，平均电压18～25V，送丝速度1250mm/min，每层金属沉积层高度1～3mm，扫描速度425mm/min，频率4Hz。

作为一种可能的示例，步骤S1中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备杆组时，具体包括如下步骤：

S15、焊枪19在薄壁锥筒的顶部端面上形成一层金属沉积层。

S16、焊枪19沿斜杆的轴线方向，朝远离第一基板1的方向移动预设步距。

S17、焊枪19在已堆叠的金属沉积层上方形成新的金属沉积层。

S18、重复步骤S16～S17，直至得到预设金属沉积层层数的斜杆。

S19、重复步骤S15～S18，在已制备的斜杆附近制备新的斜杆，直至得到杆组。

制备斜杆时，可以采用以下工艺参数：平均电流194A，平均电压16.12～17.42V，送丝速度744mm/min，每层金属沉积层高度0.1～2mm，扫描速度600mm/min，频率3Hz。

作为一种可能的示例，步骤S4中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备节点27时，具体包括如下步骤：将胞元结构16远离第一基板1的一端(即最顶部杆组远离第一基板1的一端)放入第二基板17的孔中，通过电弧熔丝增材制造的方式，在胞元结构16远离第一基板1的一端与第二基板17之间堆叠预设层数的金属沉积层，形成节点27。

制备节点27时，可以采用以下工艺参数：平均电流175A，平均电压14.36～14.99V，送丝速度681mm/min，每层金属沉积层高度0.7～1.2mm，扫描速度500mm/min，频率2Hz。

需要说明的是，在成形杆组上方的薄壁锥筒时，焊枪沿着图8中箭头方向沿圆形路径移动，圆形路径的圆心在薄壁锥筒的轴线上。焊枪绕该圆心旋转多圈，在旋转完一圈后上移并减小圆形路径的半径，以形成薄壁锥筒的锥度。该薄壁锥筒成形过程中，焊枪生成的第一熔滴28落在第一斜杆Ⅰ3的上端，基于快速凝固原理，此时第一熔滴28迅速凝固，并形成一个向圆形路径的顺时针方向或逆时针方向略突出于第一斜杆Ⅰ3的金属块。随后第二熔滴29下落在第一熔滴28形成的金属块上，且沿同方向略凸出于第一熔滴28。依此类推，直至形成薄壁锥筒，薄壁锥筒的下端应与下方相邻杆组中每个斜杆的上端相连。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，其特征在于，包括第一基板、第二基板和点阵芯层，所述第一基板平行于所述第二基板，所述点阵芯层位于所述第一基板与所述第二基板之间；

所述点阵芯层包括阵列分布成一层的多个胞元结构，所述胞元结构的第一端与所述第一基板固连，所述胞元结构的第二端通过节点与所述第二基板固连；所述胞元结构包括沿所述第一基板向所述第二基板方向交替设置的薄壁锥筒和杆组，相邻的所述薄壁锥筒与所述杆组固连，所述杆组的数量与所述薄壁锥筒的数量相同；所述薄壁锥筒的外锥面共面；所述杆组包括多个斜杆，多个所述斜杆在所述薄壁锥筒的轴线的圆周方向均布，所述斜杆的轴线与所述薄壁锥筒的轴线共面，所述斜杆的轴线与所述薄壁锥筒的轴线的夹角为所述薄壁锥筒的锥角的一半。

2.根据权利要求1所述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，其特征在于，所述薄壁锥筒的锥角为九十度。

3.根据权利要求1所述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，其特征在于，多个所述胞元结构呈矩形阵列分布。

4.根据权利要求1所述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，其特征在于，所述薄壁锥筒和所述杆组均为两个。

5.根据权利要求1所述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，其特征在于，所述杆组包括六个所述斜杆。

6.一种薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板的制备方法，用于制备如权利要求1-5任意一项所述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过电弧熔丝增材制造的方式，在所述第一基板上形成所述薄壁锥筒；通过电弧熔丝增材制造的方式，在所述薄壁锥筒小径端的端面形成所述杆组；

S2、当所述薄壁锥筒和所述杆组均为多个时，重复步骤S1，直至得到所述胞元结构；

S3、重复步骤S1和S2，以在已制备的所述胞元结构附近，再相邻制备所述胞元结构，直至得到预设数量的所述胞元结构，至此得到所述点阵芯层；

S4、在所述第二基板上开孔，将所述胞元结构远离所述第一基板的一端放入孔中，通过电弧熔丝增材制造的方式，在所述胞元结构远离所述第一基板的一端与所述第二基板之间堆叠金属沉积层，形成所述节点，至此得到所述薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板。

7.根据权利要求6所述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板的制备方法，其特征在于，所述电弧熔丝增材制造的方式为：将金属丝向前送进，通过焊枪使所述金属丝的前端在深入电弧区域时受热熔化，形成金属熔滴，所述金属熔滴从所述金属丝上下落，经过多个所述熔滴的连续堆叠、凝固的制造方式。

8.根据权利要求7所述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板的制备方法，其特征在于，所述金属丝在送丝铜管中送进，所述焊枪的尖端为钨极，所述钨极用于发散电弧。

9.根据权利要求7所述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备所述薄壁锥筒时，具体包括如下步骤：

S11、所述焊枪在所述第一基板或所述杆组上方沿圆形扫描路径以恒定的速度移动，以堆叠一层圆环形的金属沉积层；

S12、所述焊枪沿所述薄壁锥筒的母线，朝远离所述第一基板的方向移动预设步距；

S13、所述焊枪在已堆叠的所述金属沉积层上方沿圆形扫描路径以恒定的速度移动，在已堆叠的所述金属沉积层上方形成与其同心的金属沉积层；

S14、重复步骤S12～S13，直至得到预设金属沉积层层数的所述薄壁锥筒。

10.根据权利要求7所述的薄壁与杆结合的锥形抗弹点阵夹芯板的制备方法，其特征在于，步骤S1中，通过电弧熔丝增材制造的方式制备所述杆组时，具体包括如下步骤：

S15、所述焊枪在所述薄壁锥筒的顶部端面上形成一层金属沉积层；

S16、所述焊枪沿所述斜杆的轴线方向，朝远离所述第一基板的方向移动预设步距；

S17、所述焊枪在已堆叠的所述金属沉积层上方形成新的金属沉积层；

S18、重复步骤S16～S17，直至得到预设金属沉积层层数的所述斜杆；

S19、重复步骤S15～S18，在已制备的所述斜杆附近制备新的所述斜杆，直至得到所述杆组。