一種三明治結構及蜂窩結構芯體的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及結構材料，尤其涉及一種三明治結構及蜂窩結構芯體。
【背景技術】
[0002] 自然界一直是人類獲取發明創造的靈感源泉，生物體所具有的獨特外形、內部微 觀結構及優化原理等特性，為工程技術研發人員提供新的設計思路和仿生理論參考。多孔 材料廣泛存在于自然界中，如木材、蜂窩、動物骨骼和海綿等。仿照該類生物結構設計的一 些性能優異的結構，如蜂窩鋁三明治結構等，其相對密度小，比強度和比剛度大，吸能效率 高，抗沖擊性好，減震緩沖、隔熱隔音等性能優異，是理想的輕質結構材料，一直都受到學術 界和工程界的重視，特別是在航空航天飛行器、高速列車、汽車以及高速艦船等高科技領域 已經得到廣泛應用。
[0003] 目前國內外常見的三明治結構，如傳統的六邊形蜂窩三明治結構、專利申請號為 CN103559343A的類蜂窩三明治結構、專利申請號為CN202742715U中的三明治防彈夾層板 結構等，這些三明治結構主要由金屬或者復合材料夾層和高孔隙率金屬芯體組合而成，其 芯體對三明治結構性能影響最大。
[0004] 隨著科技的發展，汽車、航天、航海等高科技領域對結構的輕量化和高性能要求越 來越高，上述目前國內外常見的三明治結構在高速碰撞情況下，抵抗沖擊、減震緩沖、能量 吸收存在明顯不足。因此，開發一種質量輕，吸能效果更好，抗沖擊能力更強，力學性能更優 異的三明治夾芯結構已經成為目前各個領域中較為迫切的需求。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述問題，本發明提出一種三明治結構，其具有質量輕、力學性能更優 越、機械強度更高、吸能效率更高、抗沖擊性好、減震緩沖、隔熱隔音等各種性能的優點，能 夠解決現有技術中在高速碰撞情況下，存在的抵抗沖擊、減震緩沖、能量吸收明顯不足的問 題。
[0006] 本發明的目的通過如下技術方案實現：
[0007] 本發明提供一種三明治結構，其包括第一夾層、第二夾層以及位于其之間的芯體， 所述芯體為多級蜂窩結構；所述多級蜂窩結構中，在胞元邊長為Ltl的當前級蜂窩結構中每 兩條或者三條邊的交點處用邊長為L1多邊形替換形成下一級蜂窩結構；其中L'U。
[0008] 更進一步地，所述第一夾層和第二夾層為平面板；或者，所述第一夾層和第二夾層 為曲面板；或者，所述第一夾層和第二夾層為管材。
[0009] 更進一步地，所述多級蜂窩結構包括：
[0010] 六邊形多級蜂窩結構、四邊形多級蜂窩結構或者三邊形多級蜂窩結構。
[0011] 更進一步地，所述第一夾層上設置有減重孔；和/或，所述第二夾層上設置有減重 孔。
[0012] 更進一步地，
[0013] 所述多級蜂窩結構的每一層蜂窩結構的胞元厚度t由上往下均勻遞增或者遞減；
[0014] 或者，
[0015] 所述多級蜂窩結構的每一層蜂窩結構的胞元厚度t從受載端向非受載端均勻遞 增；
[0016]或者，
[0017] 所述多級蜂窩結構的每一層蜂窩結構的胞元厚度t從受載端向非受載端均勻遞 減；
[0018]或者，
[0019] 所述多級蜂窩結構的每一層蜂窩結構中的單個胞元結構的多邊形斜邊與豎直方 向的夾角為負。
[0020] 本發明還提供一種蜂窩結構芯體，所述蜂窩結構為多級蜂窩結構，所述多級蜂窩 結構中，在胞元邊長為Ltl的當前級蜂窩結構中每兩條或者三條邊的交點處用邊長SL1多邊 形替換形成下一級蜂窩結構；其中L1O^
[0021] 更進一步地，所述多級蜂窩結構包括：
[0022] 六邊形多級蜂窩結構、四邊形多級蜂窩結構或者三邊形多級蜂窩結構。
[0023] 更進一步地，所述多級蜂窩結構的每一層蜂窩結構的胞元厚度t由上往下均勻遞 增或者遞減；
[0024] 或者，
[0025] 所述多級蜂窩結構的每一層蜂窩結構的胞元厚度t從受載端向非受載端均勻遞 增；
[0026] 或者，
[0027] 所述多級蜂窩結構的每一層蜂窩結構的胞元厚度t從受載端向非受載端均勻遞 減；
[0028] 或者，
[0029] 所述多級蜂窩結構的每一層蜂窩結構中的單個胞元結構的多邊形斜邊與豎直方 向的夾角為負。
[0030] 由上述本發明的技術方案可以看出，本發明的有益效果在于：
[0031] 由于本發明采用多級蜂窩結構芯體，因此其質量輕，比強度高，吸能效率高，保溫 性，隔熱性能，隔音性能較好，多功能綜合性能較強；本發明的多級蜂窩結構芯體在面內 (X-Y方向），面外（Z方向）兩個方向上，與傳統蜂窩結構相比，力學性能，機械強度，吸能效 率，抗沖擊性等各種性能上有明顯提高，并且蜂窩等級越高，各項性能越好，這使得該類多 級蜂窩結構在工程領域中與傳統蜂窩結構相比具有巨大的優勢；
[0032] 通過在本發明的第一夾層和第二夾層上設置減重孔，能夠有效地減輕三明治結構 的重量，在汽車、飛機輕量化上有巨大應用價值；
[0033] 當多級蜂窩結構每一層蜂窩結構中的單個胞元結構的多邊形斜邊與豎直方向的 夾角Θ為負，本發明芯體在面內方向上（X-Y方向），具有負泊松比效應，可變化成為多級負 泊松比蜂窩結構，負泊松比結構具有很多奇特的力學性能。與傳統內凹六邊形相比，材料的 剪切模量、斷裂韌性加強，壓痕阻力增加，同向曲率變形行為增加，具有更好的抵抗沖擊的 能力；
[0034] 當多級蜂窩結構為多級功能負梯度蜂窩結構時，有更好的吸能和壓潰變形等效 果，在吸能和結構防護上比傳統功能梯度蜂窩具有更好的應用價值。
【附圖說明】
[0035] 圖1為本發明中多級蜂窩結構芯體三明治平板的示意圖；
[0036] 圖2為本發明中多級蜂窩結構芯體三明治圓管及其局部放大的示意圖；
[0037] 圖3為本發明中多級蜂窩結構芯體三明治曲面板的結構示意圖；
[0038] 圖4-1為傳統六邊形蜂窩結構中的單個胞元結構示意圖；
[0039] 圖4-2為一級蜂窩結構中的單個胞元結構示意圖；
[0040] 圖4-3為二級蜂窩結構中的單個胞元結構示意圖；
[0041] 圖5為γ 1取0. 3時的一級四邊形蜂窩結構的三維圖和俯視圖；
[0042] 圖6為γ 1取0. 3, Θ取30°時一級六邊形蜂窩結構的三維圖和俯視圖；
[0043] 圖7為γ 1取0. 3, γ 2取〇. 12, Θ取30°時的二級六邊形蜂窩結構的三維圖和俯 視圖；
[0044] 圖8為γ 1取0. 3, Θ取1〇°時的一級六邊形蜂窩結構的三維圖和俯視圖；
[0045] 圖9為γ 1取0. 3, Θ取-20°時的一級六邊形蜂窩結構的三維圖和俯視圖；
[0046] 圖10為γ 1取0. 3, Θ取30°時的一級功能梯度蜂窩結構的示意圖；
[0047] 圖11為傳統六邊形蜂窩、一級蜂窩和二級蜂窩結構面外方向壓縮力-位移曲線。
[0048] 附圖中：
[0049] 上平面板1 ;芯體2 ;下平面板3 ;外管4 ;芯體5 ;內管6 ;減重孔7 ;上曲面板8 ;芯 體9 ;下曲面板10。
【具體實施方式】
[0050] 為使本發明的結構更為清晰，下面結合附圖對本發明做更詳細的描述。
[0051] 本發明提供一種三明治結構，該結構如圖1所示，包括第一夾層、第二夾層和位于 第一夾層和第二夾層之間的以多級蜂窩結構為基體的芯體。
[0052] 其中的第一夾層和第二夾層可以是平面板、帶有減重孔的曲面板或者管材；當本 發明運用于建筑領域房屋天花板等時，夾層板選擇平面板；當本發明運用于交通領域汽車 車身、飛機機身等時，夾層板選擇帶有減重孔的曲面板或者圓管。第一夾層和第二夾層的材 質可以選擇金屬鋁或鋁合金薄板、不銹鋼薄板、銅板、鍍鋅鐵板等材料。
[0053] 其中的芯體對三明治結構性能影響最大，其采用高孔隙率芯體，芯體材料可選擇 鋁合金或者聚丙烯等。芯體采用新型多級蜂窩結構，可以是多級六邊形蜂窩結構、多級四邊 形蜂窩結構或者多級三邊形蜂窩結構等。
[0054] 下面以芯體采用多級六邊形蜂窩結構為例進行說明。
[0055] 芯體采用的多級六邊形蜂窩結構是指在胞元邊長為Ltl的六邊形蜂窩結構中每兩 條或者三條邊的交點處用邊長為L1 (小于Ltl)六邊形替換的一種新型結構，所有交點被邊長 為L1的六邊形第一次替換之后的結構定義為一級六邊形蜂窩結構，同理，一級六邊形蜂窩 結構所有交點被邊長為L2 (小于L1)的六邊形替換之后的結構定義為二級六邊形蜂窩結構， 以此類推，在上級的基礎上每用邊長更小的六邊形替換交點一次，等級提高一級。以兩級六 邊形蜂窩結構芯體為例，定義Y1=L1Zlci, Y2=L 2/U，其中γι表示不同邊長參數的取值 對應不同的一級六邊形蜂窩結構；丫2表示不同邊長參數的取值對應不同的二級六邊形蜂 窩結構。
[0056] 經申請人充分研宄，影響蜂窩鋁芯材性能因素主要為蜂窩結構的胞元形狀及其形 狀參數。上述本發明提供的一種新型三明治結構能夠非常好的滿足工程領域中的需求。特 別的，該類三明治結構改變其蜂窩結構胞元的形狀參數，能夠形成負泊松比和功能梯度等 特殊功能結構。這使得該類仿生結構在許多領域與傳統蜂窩結構相比具有很大優勢。
[0057] 在面內（Χ-Υ方向），面外（Ζ方向）兩個方向上，與傳統的蜂窩芯體比較，以多級蜂 窩結構為基體的芯體在力學、吸能、抗沖擊、減震緩沖、隔熱隔音等性能上有顯著提高。并且 蜂窩等級越高，上述各項多功能綜合性能越好。
[0058] 實施例1
[0059] 實施例1是以多級蜂窩結構為芯體基體的三明治平板，其結構如圖2所示，包括上 平面板1、芯體2和下平面板3。上平面板1與芯體2以及芯體2與下平面板3之間通過粘 接連接。構成上平面板1、下平面板3、芯體2的基體材料可以根據不同領域的要求采用不 同材料，并不僅僅局限于金屬材料。
[0060] 實施例2
[0061] 實施例2是以多級蜂窩結構為芯體基體的三明治管材，其結構如圖3所示，包括外 管4、芯體5和內管6。外管4與芯體5以及芯體5與內管6之間同樣通過粘接連接。同樣 構成外管4、芯體5、內管6的基體材料可以根據不同領域的要求采用不同材料，并不僅僅局 限于金屬材料。
[0062] 實施例3
[0063] 實施例3是以多級蜂窩結構為芯體基體的三明治曲面板，其結構如圖4所示，包 括：上曲面板8、芯體9和下曲面板10。其中上曲面板8