CN205405511U - 一种改进类蜂窝夹层结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种改进类蜂窝夹层结构，该结构的最小力学分析单元为组成第一钝角的第一斜边和第一竖直边，和组成第二钝角的第二斜边和第二竖直边，且两个呈轴对称的竖直边通过胶粘剂胶接在一起。进一步扩展的结构为上下、左右对称的最小力学分析单元的斜边端点连接，及上下相邻单元的水平边端点与竖直边端点相连。本实用新型提供的一种改进类蜂窝夹层结构，可以在满足结构使用条件的情况下，使夹层结构的重量更轻，力学性能更好，加工更方便，形状更加美观。

Description

一种改进类蜂窝夹层结构

技术领域

本实用新型涉及一种夹层结构，尤其涉及一种改进类蜂窝夹层结构。

背景技术

夹层结构具有重量轻，比强度高，比刚性好、隔音、隔热、寿命长、综合功能突出、外观平直度高、不易变形、加工适应性好等众多优点，在航空航天、高速列车、船舶、建筑室内外装饰、体育用品、赛车、轻体房屋等领域得到广泛的应用。一种类蜂窝夹层结构(申请号201310521056.7实审中)、一种类方形蜂窝夹层结构(申请号201510113765.0实审中)在结构上扩展了蜂窝体系，目前针对各种常见蜂窝夹层结构设计与理论分析已经日趋完善，且在某些领域成为广泛应用的一种夹层结构。但是从结构力学性能、加工方法上，常见蜂窝夹层结构并不是最优的。一种改进类蜂窝夹层结构，在结构和成形方式上对现有的蜂窝夹层结构体系作有效补充。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种改进类蜂窝夹层结构，可以在满足夹层整体结构刚性的前提下，结构力学性能更优，形状更加美观，加工过程更加易于操作。

为解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是以：一种改进类蜂窝夹层结构，该结构的最小力学分析单元为组成第一钝角的第一斜边和第一竖直边，和组成第二钝角的第二斜边和第二竖直边，且两个呈轴对称的竖直边通过胶粘剂胶接在一起。

进一步扩展的结构为上下、左右对称的最小力学分析单元的斜边端点连接，及上下相邻单元的水平边端点与竖直边端点相连。

所述的第一斜边、第二斜边长度相等，第一竖直边、第二竖直边长度相等。

本实用新型提供的一种改进类蜂窝夹层结构，可以满足结构强度和刚性的前提下，使夹层的结构的重量更轻，力学性能更好，实现轻量化设计，且其加工方法易于操作，简单可行，形状更加美观，可以用于大批量、低成本的加工类蜂窝夹芯及夹层结构，有利于该结构的科学研究及推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的整体结构组合的截面示意图。

图2为本实用新型结构的力学等效模型。

图3为本实用新型最小力学计算单元X方向上的单向拉伸受力结构示意图。

图4为本实用新型最小力学计算单元Y方向上的单向拉伸受力结构示意图。

图5为本实用新型最小阵列构建胞元。

图6为改进类蜂窝夹层结构简图。

图7为改进类蜂窝夹芯完整平面扩展图。

图8为类蜂窝夹芯完整平面扩展图。

图9为实施例1的改进类蜂窝夹芯最小加工单元及其粘合过程。

图10为实施例2的改进类蜂窝夹芯最小加工单元及其粘合过程。

图中：第一斜边1、第一竖直边2、第二斜边3、第二竖直边4、弓形条状单元5、长条状组合单元6、槽状条形单元7、连续槽状组合单元8；

一号长条状组合单元61、二号长条状组合单元62、三号长条状组合单元63和四号长条状组合单元64；

一号连续槽状组合单元81、二号连续槽状组合单元82、三号连续槽状组合单元83、四号连续槽状组合单元84。

具体实施方式

如图1中，一种改进类蜂窝夹层结构，该结构的最小力学分析单元为组成第一钝角的第一斜边1和第一竖直边2，和组成第二钝角的第二斜边3和第二竖直边4，且两个呈轴对称的竖直边通过胶粘剂胶接在一起。

进一步扩展的结构为上下、左右对称的最小力学分析单元的斜边端点连接，及上下相邻单元的水平边端点与竖直边端点相连。

所述的第一斜边1、第二斜边3长度相等，第一竖直边2、第二竖直边4长度相等。

下面对于上述的结构进行验算，以进一步说明本实用新型结构的优点。

类似于类蜂窝夹层结构的分析，基于夹芯层的微观结构和整个夹芯层宏观结构的力学性能，建立一个均质的正交异型层，与原有夹芯结构具有等同力学性能的模型，称之为夹芯结构力学等效模型。本文夹层结构等效模型如图2所示。等效模型能从总体上同时反映夹芯结构的微观性能和宏观性能，能更好的对其进行研究。

模型使用的前提条件是确定夹芯结构力学等效模型的弹性常数，因此Gibson提出了经典的胞元理论。目前，有关蜂窝夹芯结构的等效弹性常数的研究工作绝大部分是在胞元理论的基础上展开的。为了便于与常用的夹芯层结构进行比较，本文在已有研究的基础上，运用传统的材料力学与弹性力学理论知识，对本文提出的改进类蜂窝夹芯结构的力学等效模型进行分析与求解。本文的理论分析所用的改进类蜂窝夹芯层结构为双层胶接结构。为简化分析过程，假设夹芯受力过程中胶接层不出现破坏，则分析中胶接的两条竖直钝角边，用厚度为2倍的一条竖直边代替。从微观力学的角度看，将改进类蜂窝夹芯层中的“Y”型结构或是能组成改进类蜂窝结构的单元定义为细胞单元体，简称胞元。图3、图4是本实用新型涉及的胞元，即本实用新型的最小力学计算单元，图5是本实用新型涉及的构建胞元，即本实用新型的最小阵列胞元。

改进类蜂窝夹芯在X方向上的面内等效弹性参数E_cx的推导

假设改进类蜂窝夹芯结构的等效模型处于的单向受力状态，P_x为受x向单向应力σ_cx时的X方向等效拉力，M为此时的弯矩，由力平衡条件得到：

$M=\frac{1}{2}{P}_{x}lsin\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

P_x＝σ_cxA_x＝σ_cx(h+lsinθ)b(2)

壁板AB的挠度由两力P_x和弯矩M两部分引起：

${\mathrm{\δ}}_{AB1}=\frac{P_x{l}^{3}sin\mathrm{\θ}}{3E_{s}I}-\frac{{\mathrm{Ml}}^2}{2E_{s}I}=\frac{P_x{\mathrm{sin\θl}}^3}{E_s{\mathrm{bt}}^3}---\left(3\right)$

壁板AB的轴向伸长量：

${\mathrm{\δ}}_{AB2}=\frac{P_{x}lcos\mathrm{\θ}}{E_{s}bt}---\left(4\right)$

同理壁板BC由弯曲产生的挠度：

${\mathrm{\δ}}_{BC1}=\frac{P_{x}sin\mathrm{\θ}}{{\mathrm{bt}}^3}\frac{l^3}{E_s}---\left(5\right)$

壁板BC的轴向伸长量：

${\mathrm{\δ}}_{BC2}=\frac{P_x}{bt}\frac{cos\mathrm{\θ}l}{E_s}---\left(6\right)$

由胡克定律改进类蜂窝夹芯结构可得在X方向上的等效应变ε_cx为：

${\mathrm{\ϵ}}_{cx}=\frac{2({\mathrm{\δ}}_{AB1}sin\mathrm{\θ}+{\mathrm{\δ}}_{AB2}cos\mathrm{\θ})}{2l\cos \mathrm{\θ}}=\frac{P_x{l}^3{\sin }^2\mathrm{\θ}}{E_s{\mathrm{bt}}^{3}lcos\mathrm{\θ}}(1+{\cot }^2\mathrm{\θ}\frac{t^2}{l^2})---\left(7\right)$

同理可以得到改进类蜂窝夹芯结构在y方向上的等效应变ε_cy为：

${\mathrm{\ϵ}}_{cy}=\frac{{\mathrm{\δ}}_{AB2}sin\mathrm{\θ}-{\mathrm{\δ}}_{AB1}cos\mathrm{\θ}}{h+lsin\mathrm{\θ}}=\frac{P_y{\mathrm{sin\θcos\θl}}^3}{E_{s}b(h+lsin\mathrm{\θ})t^3}(1-\frac{t^2}{l^2})---\left(8\right)$

根据泊松比的基本定义，可知改进类蜂窝夹芯结构在X方向上的等效泊松比ν_cx为：

$v_{cx}=\left|\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{cy}}{{\mathrm{\ϵ}}_{cx}}\right|=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{cy}}{{\mathrm{\ϵ}}_{cx}}=\frac{{\mathrm{cos\θ}}^2(1-t^2/l^2)}{(\mathrm{\β}+\sin \mathrm{\θ})sin\mathrm{\θ}}\frac{1}{1+{\cot }^2\mathrm{\θ}(t^2/l^2)}---\left(9\right)$

其中β＝h/l。

根据弹性模量的基本定义，可知改进类蜂窝夹芯在X方向上的等效弹性模量E_cx为：

$E_{cx}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{cx}}{{\mathrm{\ϵ}}_{cx}}=E_s\frac{t^3}{l^3}\frac{cos\mathrm{\θ}}{{\sin }^2\mathrm{\θ}(\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\β})}\frac{1}{1+\cot \mathrm{\θ}(t^2/l^2)}---\left(10\right)$

改进类蜂窝夹芯在Y方向上的面内等效弹性参数E_cy的推导

假设等效后的等效模型材料内在Y方向的正应力为σ_cy，处于均匀的单向拉伸状态，则有：

$M=\frac{1}{2}{P}_{y}lcos\mathrm{\θ}---\left(11\right)$

P_y＝σ_cyA_y＝σ_cyblcosθ(12)

壁板AB由弯曲的产生的挠度：

${\mathrm{\δ}}_{AB1}==\frac{P_y{\mathrm{cos\θl}}^3}{E_s{\mathrm{bt}}^3}---\left(13\right)$

壁板AB的轴向伸长量：

${\mathrm{\δ}}_{AB2}=\frac{P_{y}lsin\mathrm{\θ}}{E_{s}bt}---\left(14\right)$

同理壁板BC由弯曲产生的挠度：

${\mathrm{\δ}}_{BC1}=\frac{P_{y}cos\mathrm{\θ}}{{\mathrm{bt}}^3}\frac{l^3}{E_s}---\left(15\right)$

壁板BC的轴向伸长量：

${\mathrm{\δ}}_{BC2}=\frac{P_y}{bt}\frac{sin\mathrm{\θ}l}{E_s}---\left(16\right)$

由胡克定律可得在X方向上的等效应变ε_cx为：

${\mathrm{\ϵ}}_{cx}=\frac{2({\mathrm{\δ}}_{AB1}\sin \mathrm{\θ}-{\mathrm{\δ}}_{AB2}\cos \mathrm{\θ})}{2l\cos \mathrm{\θ}}=-\frac{P_y{l}^2\sin \mathrm{\θ}}{E_s{\mathrm{bt}}^3}(1-\frac{t^2}{l^2})---\left(17\right)$

同理可以得到在Y方向上的等效应变ε_cy为：

${\mathrm{\ϵ}}_{cy}=\frac{P_y{\cos }^2{\mathrm{\θl}}^3}{E_{s}b(h+lsin\mathrm{\θ})t^3}(1+({\mathrm{\βsec}}^2\mathrm{\θ}+{\tan }^2\mathrm{\θ}\left)\frac{t^2}{l^2}\right)---\left(18\right)$

根据泊松比的定义，可知改进类蜂窝夹芯在Y方向上的等效泊松比ν_cy为：

$v_{cy}=\left|\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{cx}}{{\mathrm{\ϵ}}_{cy}}\right|=\frac{(\mathrm{\β}+\sin \mathrm{\θ})\sin \mathrm{\θ}}{{\cos }^2\mathrm{\θ}}\frac{1-t^2/l^2}{1+({\mathrm{\βsec}}^2\mathrm{\θ}+{\tan }^2\mathrm{\θ})(t^2/l^2)}---\left(19\right)$

根据弹性模量的定义，可知改进类蜂窝夹芯在Y方向上的等效弹性模量E_cy为：

$E_{cy}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{cy}}{{\mathrm{\ϵ}}_{cy}}=E_s\frac{t^3}{l^3}\frac{(sin\mathrm{\θ}+\mathrm{\β})}{{\cos }^3\mathrm{\θ}}\frac{1}{1+({\mathrm{\βsec}}^2\mathrm{\θ}+tan\mathrm{\θ})(t^2/l^2)}---\left(20\right)$

其中β＝h/l。

式中各符号的含义为：t为薄胞壁的厚度mm,l为斜边胞壁的长度mm，h为直边胞壁的长度mm，b为夹芯的厚度mm，E_cx、E_cy为蜂窝夹芯在x、y方向上的等效弹性模量MPa；E_s为夹芯材料的弹性模量MPa，ν_cx,ν_cy—蜂窝夹芯在X、Y方向上的等效泊松比。

综上所述的推导过程，可以得到改进类蜂窝夹芯结构的等效弹性参数的计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{cx}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{cx}}{{\mathrm{\ϵ}}_{cx}}=E_s\frac{t^3}{l^3}\frac{\cos \mathrm{\θ}}{{\sin }^2\mathrm{\θ}(\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\β})}\×\frac{1}{1+\cot \mathrm{\θ}(t^2/l^2)}\\ E_{cy}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{cy}}{{\mathrm{\ϵ}}_{cy}}=E_s\frac{t^3}{l^3}\frac{(\sin \mathrm{\θ}+\mathrm{\β})}{{\cos }^3\mathrm{\θ}}\×\frac{1}{1+({\mathrm{\βsec}}^2\mathrm{\θ}+\tan \mathrm{\θ})(t^2/l^2)}\\ v_{cx}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{cy}}{{\mathrm{\ϵ}}_{cx}}=\frac{{\mathrm{cos\θ}}^2(1-t^2/l^2)}{(\mathrm{\β}+\sin \mathrm{\θ})\sin \mathrm{\θ}}\frac{1}{1+{\cot }^2\mathrm{\θ}(t^2/l^2)}\\ v_{cy}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{cx}}{{\mathrm{\ϵ}}_{cy}}=\frac{(\mathrm{\β}+\sin \mathrm{\θ})\sin \mathrm{\θ}}{{\cos }^2\mathrm{\θ}}\frac{1-t^2/l^2}{1+({\mathrm{\βsec}}^2\mathrm{\θ}+{\tan }^2\mathrm{\θ})(t^2/l^2)}\end{array}\right.---\left(21\right)$

考虑到加工过程中最常见的情况，可取θ＝45°，h＝2l，β＝2，且实际尺寸中改进类蜂窝中胞元壁厚t远小于胞元壁长l，即t<<l，则上述公式可以化简为则有；

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{cx}=\frac{4\sqrt{2}-2}{7}{E}_s\frac{t^3}{l(t^2+l^2)}\\ E_{cy}=(4\sqrt{2}+2)E_s\frac{t^3}{l(l^2+5t^2)}\\ v_{cx}=\frac{2\sqrt{2}-1}{7}\frac{1-t^2/l^2}{1+t^2/l^2}\\ v_{cy}=(1+2\sqrt{2})\frac{1-t^2/l^2}{1+5t^2/l^2}\end{array}\right.---\left(21\right)$

而类蜂窝夹层结构的力学参数公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{cx}=E_s\frac{t^3}{l^3}\frac{\mathrm{\&beta;}+\cos \mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&beta;}+\sin \mathrm{\&theta;}}\&times;\frac{1}{{\sin }^2\mathrm{\&theta;}+{\cos }^2\mathrm{\&theta;}\&times;t^2/l^2+\mathrm{\&beta;}\&times;t^2/l^2}\\ E_{cy}=E_s\frac{t^3}{l^3}\frac{\mathrm{\&beta;}+\sin \mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&beta;}+\cos \mathrm{\&theta;}}\&times;\frac{1}{{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+{\sin }^2\mathrm{\&theta;}\&times;t^2/l^2+\mathrm{\&beta;}\&times;t^2/l^2}\\ v_{cx}=\frac{\mathrm{\&beta;}+\cos \mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&beta;}+\sin \mathrm{\&theta;}}\&times;\frac{\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;}(1-t^2/l^2)}{{\sin }^2\mathrm{\&theta;}+{\cos }^2\mathrm{\&theta;}\&times;t^2/l^2+\mathrm{\&beta;}\&times;t^2/l^2}\\ v_{cy}=\frac{\mathrm{\&beta;}+\cos \mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&beta;}+\sin \mathrm{\&theta;}}\&times;\frac{\sin \mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;}(1-t^2/l^2)}{{\cos }^2\mathrm{\&theta;}+{\sin }^2\mathrm{\&theta;}\&times;t^2/l^2+\mathrm{\&beta;}\&times;t^2/l^2}\end{array}\right.---\left(22\right)$

则上述公式(22)可以化简为则有；

$\left\{\begin{array}{c}{E}_{cx}=E_s\frac{t^3}{l^3}\&times;\frac{2}{1+5t^2/l^2}\\ E_{cy}=E_s\frac{t^3}{l^3}\&times;\frac{2}{1+5t^2/l^2}\\ v_{cx}=\frac{1-t^2/l^2}{1+5t^2/l^2}\\ v_{cy}=\frac{1-t^2/l^2}{1+5t^2/l^2}\end{array}\right.---\left(23\right)$

比较上述公式(21)、(23)可得到改进类蜂窝夹芯结构在Y方向上的等效弹性模量、等效泊松比明显比类蜂窝大，而在X方向上等效弹性模量和泊松比明显比类蜂窝小，这为工程上要求一个方向材料力学性能好，另一个方向材料力学性能一般的情况提供新的材料选择。因此，该改进类蜂窝夹芯结构在工程中有重要用途。

类蜂窝夹芯结构加工方法

实施方案一

一种用于加工改进类蜂窝夹层结构的方法，参见图9，它包括以下步骤：

S1：选择由第一斜边1、第二斜边3、第一竖直边2和第二竖直边4组合形成的弓形条状单元5作为最小加工单元，将相同的弓形条状单元5的相邻竖直边重复粘接能够组合粘接成长条状组合单元6。

S2：将四根长条状组合单元6中的一号长条状组合单元61和二号长条状组合单元62相对布置，并保证其错开一个第一竖直边2的长度；将三号长条状组合单元63与二号长条状组合单元62背对背布置，并保证其水平边相重合；将四号长条状组合单元64与一号长条状组合单元61相对布置，并保证其竖直边在同一竖直线上。

S3：将一号长条状组合单元61、二号长条状组合单元62、三号长条状组合单元63和四号长条状组合单元64相接触的面涂抹胶粘剂，进行粘接并压合，最终形成改进类蜂窝夹层结构，这种样式的加工单元粘合后，十字形的垂直边的壁厚为斜边壁厚的两倍。

进一步的，所述S1中弓形条状单元5作为最小加工单元，其加工方法是，采用薄壁板材料进行折弯加工，折弯的角度为多次有序的45°和180°，采用金属薄壁板材料的厚度为0.5mm-1.5mm。

进一步的，所述S1中弓形条状单元5作为最小加工单元，其加工方法是，采用金属实心板，按照最小加工单元的形状编写数控程序，进行线切割加工，此处所采用金属实心板厚度大于5mm。

进一步的，所述金属薄壁板材料为铝合金。

进一步的，所述金属实心板为铝合金。

实施方案二

一种用于加工改进类蜂窝夹层结构的方法，此种方案的最小加工单元比实施方案一的最小加工单元多一条增加边，主要解决了实施方案一中存在线面粘接点A不稳定的问题，进而替代为面与面之间的粘接方式B，提高了连接的稳定，增加了连接强度。它包括以下步骤：

S11：选择由第一斜边1、第二斜边3、第一竖直边2和第二竖直边4组合形成的槽状条形单元7作为最小加工单元，将相同的槽状条形单元7的相邻竖直边重复粘接能够组合粘接成连续槽状组合单元8。

S12：将四根连续槽状组合单元8中的一号连续槽状组合单元81和二号连续槽状组合单元82相对布置，并保证其错开一个第一竖直边2的长度；将三号连续槽状组合单元83与二号连续槽状组合单元82背对背布置，并保证其水平边相重合；将四号连续槽状组合单元84与一号连续槽状组合单元81相对布置，并保证其竖直边在同一竖直线上。

S13：将一号连续槽状组合单元81、二号连续槽状组合单元82、三号连续槽状组合单元83和四号连续槽状组合单元84相接触的面涂抹胶粘剂，进行粘接并压合，最终形成改进类蜂窝夹层结构，这种样式的加工单元粘合后，两条十字形的垂直边的壁厚，一条边为斜边壁厚的两倍，一条边为斜边壁厚的四倍。

进一步的，所述S11中槽状条形单元7采用金属薄壁板材料进行折弯加工，折弯的角度为多次有序的90°、45°和180°，采用金属薄壁板材料的厚度为0.5mm-1.5mm。

进一步的，所述S11中槽状条形单元7采用金属实心板，按照其形状编写数控程序，进行线切割加工，此处所用金属实心板厚度应大于5mm。

进一步的，所述金属薄壁板材料为铝合金。

进一步的，所述金属实心板为铝合金。

Claims (2)

1.一种改进类蜂窝夹层结构，该结构的最小力学分析单元为组成第一钝角的第一斜边(1)和第一竖直边(2)，和组成第二钝角的第二斜边(3)和第二竖直边(4)，且两个呈轴对称的竖直边通过胶粘剂胶接在一起；

进一步扩展的结构为上下、左右对称的最小力学分析单元的斜边端点连接，及上下相邻单元的水平边端点与竖直边端点相连。

2.根据权利要求1所述的一种改进类蜂窝夹层结构，其特征是：所述的第一斜边(1)、第二斜边(3)长度相等，第一竖直边(2)、第二竖直边(4)长度相等。