CN209649646U - 竖向蜂窝夹层板 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种竖向蜂窝夹层板，包括上面板和下面板，上胶层和下胶层，以及设于上胶层和下胶层间、蜂窝孔垂直于面板设置的蜂窝层，该夹层板还包括分别与上面板及下面板连接的若干立柱。本实用新型的蜂窝夹层板不仅密度小、重量轻，且比强度和比刚度高，承载力强，芯材和面板间的胶结强度高、减振隔声和隔热性能强。

Description

竖向蜂窝夹层板

技术领域

本实用新型属于夹层板领域，尤其涉及一种竖向蜂窝夹层板。

背景技术

结构轻量化建造一直是工程领域的热点话题，尤其在车辆、船舶、轨道交通等领域，在不影响结构自身强度的前提下，减轻自身重量能够提高结构运载能力，有效降低能源损耗，提升经济性能。

船用材料是影响船舶自重的主要原因之一，船舶在完成从木船、铆接向焊接转变的同时，船用材料完成从最初的木材向钢材过渡的过程。钢材在船舶结构的大量使用极大地提升了船舶承载能力，但此也导致了船舶自重极具上升。目前船舶建造业主流使用的便是加筋板，在不改变船用材料的情况下通过优化结构，在很大程度上减轻船舶自重。然而结构优化终究是有极限的，由此夹层板结构在这样的背景下应运而生，英国的IE公司率先将夹层结构应用到船舶制造领域并取得了良好的效果。

蜂窝夹层板最初起源于仿真学，根据蜂巢的结构设计而成，并且由于其优良的力学性能较早地应用到航天航空等对材料比强度比刚度要求较高的领域，且对航天工业的发展起到了极大的作用，如今蜂窝夹层板结构的应用范围扩大至车辆、船舶、轨道交通领域。自从蜂窝夹层板开始工程应用，国内外学者就其力学性能及制备工艺展开大量研究，研究内容包括蜂窝夹层板结构的理论分析、数值仿真模拟、力学性能试验等。从事蜂窝夹层板研究的学者周知，蜂窝夹层板具有质轻、比刚度、比强度高等优良特性。而目前现有蜂窝夹层板芯子材料多为轻金属如铝及铝合金材料，高分子材料应用种类相对较少，究其原因在于高分子材料相对于金属材料力学性能较弱，且施工工艺难度较高，加之蜂窝夹层板隔声及隔热性能较差，故解决上述问题是蜂窝夹层板大规模工程应用的重要保障。

现有的泡沫填充夹层板如CN201850698U、CN201317133Y等专利公开的，采用新型芯材结构如铝质棱锥，并且通过泡沫材料进行填充，在一定程度上提升了结构的比强度和比刚度，但其施工工艺较为复杂，铝板需要冲压成型，且泡沫填充后，芯材与面板的胶结强度较差，同时由于泡沫结构耐热性差，故不能通过焊接将芯材与面板实现固定，进而导致面板与芯材之间易形成缺陷而导致脱层。

因此，现亟需一种能够有效解决上述技术问题，且还能进一步降低层板重量，提升层板减振隔声及隔热性能的层板。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种密度小、比强度和比刚度优异，且承载力强的竖向蜂窝夹层板。

技术方案：本实用新型的竖向蜂窝夹层板，包括上面板和下面板，设于上面板和下面板间的上胶层和下胶层，以及设于上胶层和下胶层间、蜂窝孔垂直于面板设置的蜂窝层，蜂窝孔内填充泡沫材料；该夹层板还包括贯穿蜂窝层、上胶层及下胶层，分别与上面板和下面板连接的若干立柱。

本实用新型通过胶层和立柱的设置，不仅提高了层板的整体承载能力，且提高了蜂窝层和面板间胶结强度，有效避免了面板和蜂窝层之间易形成缺陷而导致脱层的问题；其中，设置立柱不仅能够形成空腔，缓解面板受自重变形的问题，提高夹层板的承载能力、平拉强度及剪切强度，且能够提高面板与蜂窝层间的粘结强度，能够适应于不同材料的蜂窝层与面层之间的连接。

同时本实用新型通过将蜂窝夹层板胶层及泡沫填充材料相结合，不仅能够有效解决在制备过程中面板和蜂窝层脱层的问题，增强面板和蜂窝层的粘接强度；且能够有效减小中心最大变形量、提高最大承载能力等整体力学性能，以及提高夹层板的减振隔热等性能，提高夹层板的稳定性。此外，将胶层和泡沫材料相结合，除了能够有效提升力学、声学、热力学性能外，胶层和泡沫填充结构还能够作为基体材料通过内置部分特殊结构以提升整板的功能附加性，例如在胶层内置玻璃钢或铝合金等轻质结构加强构件，能够使得整体变为各向异性受力，满足诸如桥板、梁等单向受力较为集中的部位，而相应地泡沫填充材料内涵许多微孔结构，在大量微孔内部可添加功能微珠，进而能够有效提高整板的功能多样化，如信号干扰、隐身等附加功能。优选的，上胶层和/或下胶层内设有功能部件，该功能部件包括玻璃钢、铝合金、面板加强筋、隔音棉或陶瓷防弹球。

进一步说，本实用新型的上面板可为铝合金、钛合金、钢板、碳纤维或玻璃钢。同样，下面板可为铝合金、钛合金、钢板、碳纤维或玻璃钢。上胶层可为尼龙、聚氨酯弹性体或环氧树脂。下胶层可为尼龙、聚氨酯弹性体或环氧树脂。

再进一步说，上胶层的厚度可为5～15mm，下胶层的厚度可为5～15mm，若胶层低于5mm则很难在其内部增设结构件，影响整体结构的完整性，若胶层厚度超过15mm则对整体结构的比强度比刚度影响较大，从而影响夹层板的轻量化效果。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的显著优点为：该竖向蜂窝夹层板不仅密度小、重量轻，且比强度和比刚度高，承载力强，芯材和面板间的胶结强度高；同时，夹层板的减振隔声和隔热性能强；同时制备该蜂窝夹层板的方法简便，可操作性强，成本低；此外，夹层板间的连接方式优、连接强度高。

附图说明

图1为本实用新型竖向蜂窝夹层板的结构示意图；

图2为沿图1中B-B面的剖视图；

图3为沿图1中A-A面的剖视图；

图4为立柱的结构示意图；

图5为本实用新型的竖向蜂窝夹层板间的搭接示意图；

图6为本实用新型的竖向蜂窝夹层板间以方管作为连接件的连接示意图；

图7为本实用新型的竖向蜂窝夹层板与船体加筋板垂向连接示意图；

图8为本实用新型的竖向蜂窝夹层板与船体加筋板纵向连接示意图；

图9为设置蜂窝层的夹层板中心最大变形量应力云图；

图10为不设置蜂窝层的夹层板中心最大变形量应力云图；

图11为填充泡沫材料的夹层板极限承载力应力云图；

图12为不填充泡沫材料的夹层板极限承载力应力云图；

图13为设置立柱的夹层板极限承载力应力云图；

图14为不设置立柱的夹层板极限承载力应力云图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。

如图1至图3所示，本实用新型的竖向蜂窝夹层板，从上至下依次包括上面板1，上胶层3，填充有泡沫材料的蜂窝层5，下胶层4，下面板2，以及贯穿蜂窝层5、上胶层3和下胶层4、并与上面板1和下面板2连接固定的若干以点阵排列的立柱6，立柱6间排列间隔40×40cm最佳，蜂窝层5的蜂窝孔垂直与上下面板。立柱6可为方形立柱、圆形立柱或者上下截面大、中间端截面小型，优选为上下截面大、中间端截面小型，如图4所示。其中，上面板1和下面板2可为铝合金、钛合金、钢板、碳纤维或玻璃钢。上胶层3和/或下胶层4内可设有功能部件，该功能部件可包括玻璃钢、铝合金、面板加强筋、隔音棉或陶瓷防弹球。上胶层3可为尼龙、聚氨酯或环氧树脂，下胶层4可为尼龙、聚氨酯或环氧树脂。上胶层3的厚度可为5～15mm，下胶层4的厚度可为5～15mm。

本实用新型的竖向蜂窝夹层板的制备方法，包括如下步骤：首先将蜂窝层5的蜂窝孔内填充泡沫材料，并设置用于贯穿若干立柱6的蜂窝孔，随后将若干立柱6的一端与下面板2固定连接后，套设蜂窝层5，并将上面板1与立柱6的另一端连接固定，在上面板1与蜂窝层5间、下面板2和蜂窝层5间分别浇注胶层材料，形成上胶层3和下胶层4，制得竖向蜂窝夹层板。

此外，上述制备方法中，在浇注上胶层3和下胶层4时，采用C型板对边界进行密封，进而能够在浇注过程中不漏料。

将本实用新型的竖向蜂窝夹层板在进行层板间的拼装时，可采用两种方式：一种是在制备该夹层板时，即将需要拼接的一端延伸搭接边7，使夹层板间搭接后再采用螺栓8固定连接，如图5所示。搭接边设置时在上下面板间，蜂窝层的一侧(上下面板的长度和宽度大于蜂窝层，进而预留空间制备搭接边)同样浇注胶层，进而将由胶层及其上下面的面层作为搭接边7，夹层板的拼装是将搭接边7相连，并采用螺栓8固定，该拼装方式中夹层板相对简洁，且不需要外置连接件，连接效果较佳，在搭接处不易出现破损等结构失效。另一种是通过预先浇筑的实心方管9作为夹层板的内置连接件，插入两侧的蜂窝夹层板，与蜂窝层5相连接，并通过两排螺栓8控制夹层板在拼接处的挠度，而在高强度载荷作用的位置还可以采用面板对合后点焊，对强度和位移量的效果更佳，如图6所示，该拼装方式的模具设计相对简单，且连接质量优。

此外，将本实用新型的竖向蜂窝夹层板与船体结构之间进行连接时，可采用两种方式：一是在船体的加强筋板10预制钢质“丁”字形截面的构件11，将夹层板上下面板插入等厚度预先打胶的插槽内，并待胶体固化后，将夹层板上下面板分别于“丁”字形构件翼缘及下缘焊接，在构件另一侧将加筋板同构件另一侧翼缘及腹板焊接，从而实现夹层板与同向加筋板之间的结构连接，并保证较佳的力学性能，如图7所示，该方式适用于上述夹层板与同向船体加筋板的对接；第二种是通过T型材12及两块角钢来实现拼接，首先将T型材腹板同加筋板13对合焊接使得T型材成为加筋板的末端结构，再将角钢长边算好夹层板厚度焊接在T型材的腹板上，使得T型材翼缘下表面同角钢折边的上表面的距离等于夹层板厚度，将形成的插槽内打胶并拼装焊接，即完成了夹层板与加筋板的垂向拼装，如图8所示，该方式适用于上述夹层板与垂向船体加筋板的拼接。

性能检测1

制备200mm×200mm×44mm的蜂窝夹层板进行建模分析，以四边简支的约束条件模拟板材在实船的应用，获得的结构如图9至图12所示。通过图9和图10可知，在重量增加6％的情况下，其中心最大变形量由0.38减小到0.15，共减小近60％；通过图11至图12可知，其最大承载能力从1.46MPa增至2.39MPa，共提升近63％。

性能检测2

制备1200mm×1200mm×14mm，其中蜂窝层10mm厚，立柱6按照300mm×300mm矩形布置的船用内底板为例进行仿真计算，获得的结果如图13和图14所示。通过图13和图14可知，增设立柱的板材相对于同尺寸未设置立柱6的板材质量仅增加0.14％，而其承载能力相对于普通夹层板提升7％，中心位移量减少5％。且计算模型中采用的是添加均布载荷，若在工程实际中出现某个部位承载较大如机舱内布置的主机辅机等，还可以通过调整立柱的密度及布置位置来对整体板材进行局部加强。设置夹层板立柱6能够在解决浇筑工艺问题的同时，提升夹层板的承载能力，解决夹层板加工过程中易出现的层间缺陷问题，并且其施工工艺较为简单，可行性较佳。

下面针对具体不同的面板和胶层提供不同的制备方法，如下所示：

实施例1

该实施例中上下面板为Q235钢材，胶层及蜂窝层蜂窝骨架为聚氨酯弹性体，蜂窝层填充的泡沫材料为聚氨酯发泡材料。

具体参数为：上下面板材料选用Q235钢材，其弹性模量为2.1×10⁵MPa，泊松比0.3，密度7850kg/m³。胶层结构选用“PTMEG+TDI”体系，其弹性模量300MPa，拉伸强度60MPa，硬度邵氏D65度，密度1.13kg/dm³。蜂窝层主体骨架结构选用“DP400+MDI”体系，其弹性模量2400MPa，拉伸强度75MPa，邵氏硬度D80度，密度1.14kg/dm³，该骨架结构可以通过制备模具，浇筑进行预制，其结构形式可以为六边形结构，亦可以采用三角形，圆形的剖面结构，在蜂窝层骨架结构硫化完成后，可以将制备好的聚氨酯泡沫结构进行浇筑，将蜂窝板完全填充，由于聚氨酯发泡材料和聚氨酯弹性体及钢材有着良好的粘结力，故可将浇筑完成的蜂窝芯结构视作整体，通过批量制备蜂窝冯结构可以极大地提高其生产效率。泡沫材料选用“PPG1000+TDI+水系发泡剂”体系，能够有效解决传统蜂窝夹层板粘接面小，平拉强度较低的工艺问题，且进一步增强了蜂窝夹层板系统隔声性能。

制备方法包括如下步骤：将立柱的一端与下面板焊接固定后，套设蜂窝芯，并将上面板与立柱的另一端焊接固定，并使用C型板和C型夹进行固定，在上面板和蜂窝芯间、下面板和蜂窝芯间分别浇注胶层材料，形成上胶层和下胶层，待其凝胶后放入烘箱进行后硫化处理，硫化完成后即制得蜂窝夹层板。

本实施例中上面板和下面板为可焊接材料，胶层为可黏材料，其中面板还可以选取铝合金、钛合金等金属材料，胶层可选取环氧树脂等高分子材料。

对该实施例1的蜂窝夹层板及传统钢板、加筋板进行静态力学仿真，尺寸取200mm×200mm进行等质量建模，对该平板施加1MPa的均布载荷，通过数值模拟进行对比分析可知，蜂窝夹层板最大位移量为0.32mm，钢板、加筋板分别为0.90mm和0.58mm，即蜂窝夹层板结构变形量在加筋板的基础上提升44％；而应力方面，蜂窝夹层板最大应力出现在约束位置为161MPa，蜂窝层应力整体低于18MPa，而钢板最大应力为351MPa，加筋板最大应力出现在加强筋中部为362MPa，除去加强筋中应力集中点的最大应力为241MPa，即蜂窝夹层板承载能力远优于普通船用钢板，且较加筋板有32％的提升，能够有效较少应力集中情况形成。由此可知，该实施例制备的蜂窝夹层板结构力学性能较传统加筋板及钢板有较大提升。

实施例2

该实施例中，以玻璃钢为面板材料，聚氨酯弹性体为胶层及蜂窝骨架材料，聚氨酯泡沫为蜂窝层泡沫填充材料。具体而言，上下面采用玻璃钢材料，其密度为1600Kg/m³，弹性模量为72GPa，泊松比为0.2。胶层结构选用“PTMEG+TDI”体系，其弹性模量300MPa，拉伸强度60MPa，硬度邵氏D65度，密度1.13kg/dm³。蜂窝层主体骨架结构选用“DP400+MDI”体系，其弹性模量2400MPa，拉伸强度75MPa，邵氏硬度D80度，密度1.14kg/dm³。泡沫填充材料选用“PPG1000+TDI+水系发泡剂”体系。该实施例的面板为不可焊接材料，还可为碳纤维，胶层还可为环氧树脂。

制备方法包括如下步骤：将立柱的一端与下面板胶粘结固定后，套设蜂窝芯，并将上面板与立柱的另一端胶黏结固定，并使用C型板和C型夹进行固定，在上面板和蜂窝芯间、下面板和蜂窝芯间分别浇注胶层材料，形成上胶层和下胶层，待其凝胶后放入烘箱进行后硫化处理，硫化完成后即制得蜂窝夹层板。

除上述实施例外，上面板及下面板还可采用铝合金、钛合金、碳纤维等材料，上胶层及下胶层还可为尼龙或环氧树脂等材料，均可根据所需求的蜂窝夹层板的性能而灵活选择。

Claims (5)

1.一种竖向蜂窝夹层板，其特征在于：包括上面板(1)和下面板(2)，设于上面板(1)和下面板(2)间的上胶层(3)和下胶层(4)，以及设于上胶层(3)和下胶层(4)间、蜂窝孔垂直于面板设置的蜂窝层(5)，蜂窝孔内填充泡沫材料；该夹层板还包括贯穿蜂窝层(5)、上胶层(3)及下胶层(4)，分别与上面板(1)和下面板(2)连接的若干立柱(6)。

2.根据权利要求1所述的竖向蜂窝夹层板，其特征在于：所述上胶层(3)和/或下胶层(4)内设有功能部件，该功能部件包括玻璃钢、铝合金、面板加强筋、隔音棉或陶瓷防弹球。

3.根据权利要求1所述的竖向蜂窝夹层板，其特征在于：所述上面板(1)及下面板(2)分别为铝合金、钛合金、钢板、碳纤维或玻璃钢。

4.根据权利要求1所述的竖向蜂窝夹层板，其特征在于：所述上胶层(3)及下胶层(4)分别为尼龙、聚氨酯弹性体或环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的竖向蜂窝夹层板，其特征在于：所述上胶层(3)及下胶层(4)的厚度为5～15mm。