一種緩沖夾層板的制作方法

一種緩沖夾層板的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種緩沖夾層板，包括上夾板、下夾板和中間緩沖層，所述中間緩沖層為薄壁多邊形柵格?柱結構，該中間層薄壁多邊形柵格?柱結構由多邊形柵格單元和交匯于相鄰多邊形柵格單元間的空心薄壁柱構成，所述多邊形格柵單元的格柵壁端部連接在所述薄壁柱的壁面上，所述薄壁柱的圓心在所述格柵壁交匯處的中心。其中薄壁柱結構能有效約束格柵壁的平面外變形，提高格柵壁屈曲后強度以及彈塑性變形能力，并且保證二者始終共同工作，有效提高夾層板抗壓強度和緩沖性能，得到重量更輕、強度更高、緩沖性能更好的夾層板，特別適用于航空航天、船舶交通等對夾層板緩沖性能要求較高等領域，可以有效保障主體結構和人們的生命財產安全。
【專利說明】
一種緩沖夾層板
技術領域
[0001] 本發明涉及一種夾層板，尤其涉及一種芯層具有薄壁多邊形柵格-柱結構緩沖夾 層板，其格柵壁和柱都具有薄壁特征。
【背景技術】
[0002] 在節能環保已經成為產品主要評價指標的今天，新型輕質高強結構的研究受到人 們的重視。夾芯板以其重量輕、剛度大、緩沖性能好等特點成為航空、航天、鐵路、汽車、建筑 等領域不可缺少的結構之一。由于一開始制作成本較高，上世紀50年代起主要用于航空航 天領域。后隨著科技進步，工藝方法的改進逐漸應用到其他工業領域。制作夾層板的材料有 紙質、復合材料、樹脂、金屬等。夾層板輕質高強的特點主要由于其中間芯層為結構。但自夾 層板使用以來，可能是因為格柵壁薄已經很薄（如鋁的，紙質的，有的在〇.〇1毫米以下），對 于夾層是薄壁結構的夾層板幾乎沒有改進，有改進的大多是新型復合材料的夾層板，如手 征夾層板，一體化夾層板等。因此，幾十年來對于芯層是薄壁結構的夾層板來說，其芯層或 是六邊，方格等形狀的變化，或是尺寸大小的變化，而幾乎沒有對夾層芯的結構進行改進， 從而導致其各項力學性能沒有本質提高，沒有緊跟現代科技的發展、開拓緩沖夾層板更大 的應用潛力。之前陳錦祥等提出芯層具有加強柱的夾層板，但經過理論分析與實驗證明之 后得出以下結論:雖然蜂窩夾層板可以有效提高蜂窩板的抗壓性能，抗彎性能以及彈性變 形性能等非彈性變形方面的各項力學性能指標，但對應用于要求具有塑性變形的緩沖吸能 等用途，則無法滿足要求。

【發明內容】

[0003] 本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足，而提供了一種塑性 變形能力強，緩沖性能好的緩沖夾層板。
[0004] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：
[0005] -種緩沖夾層板，包括上夾板、下夾板和中間緩沖層，其特征在于:所述中間緩沖 層為薄壁多邊形柵格-柱結構，該中間層薄壁多邊形柵格-柱結構由多邊形柵格單元和交匯 于相鄰多邊形柵格單元間的空心薄壁柱構成，所述多邊形格柵單元的格柵壁端部連接在所 述薄壁柱的壁面上，所述薄壁柱的圓心在所述格柵壁交匯處的中心。
[0006] 所述薄壁柱與上夾板和下夾板直接相連。
[0007] 所述多邊形柵格單元為正三角形、正方形或正六邊形。
[0008] 所述薄壁柱壁厚不小于相鄰兩薄壁柱圓心之間距離的四分之一，所述格柵壁壁厚 是薄壁柱壁厚的0.5~2倍。
[0009] 所述上夾板、下夾板和中間緩沖層之間采用粘接劑連接或一次成型；所述中間多 邊形柵格單元與薄壁柱之間采用粘接劑連接、一次成型或卡扣式連接。
[0010] 在所述中間緩沖層和薄壁柱內填充耐火保溫隔聲材料。
[0011]所述上夾板和下夾板是平面板或曲面板。
[0012]本發明緩沖夾層板中，通過優化調整薄壁柱的厚度與中間緩沖層的高度之間的比 例關系，將作用在夾層板表面的沖擊轉移到中間緩沖層上并吸收沖擊力，從而有效約束格 柵壁的平面外變形，提高格柵壁屈曲后強度以及彈塑性變形能力，并且保證二者始終共同 工作。相比于傳統夾層板，其極限抗壓承載力，破壞時的豎向變形能力，緩沖性能等都有明 顯提升。相比添加了實心小柱的夾層板，則能節約材料，充分發揮材料的性能，使得結構的 質量分布更均勻，更加合理;相比薄壁柱內有格柵壁的夾層板，更加節約材料，同時，以它為 骨架，填充功能材料時，也更加容易進行填充。總而言之，它是一種重量輕、強度高、緩沖性 能好的夾層結構，適用于各種領域，特別適用于航空航天、船舶交通等對夾層板緩沖性能要 求較高等領域。
【附圖說明】
[0013]圖1加強柱夾層板與傳統夾層板應力分布圖。
[0014] 其中（a)加強柱夾層板；（b)傳統夾層板
[0015] 圖2加強柱夾層板和傳統夾層板荷載等效示意圖。
[0016] 其中(al，bl)加強柱夾層板;（a2，b2)傳統夾層板 [0017]圖3加強柱夾層板的破壞形式。
[0018] 圖4加強柱夾層板單元格柵壁交匯處的斷面共享情況分析模型。
[0019] 其中（a)格柵壁1的分區情況，（b)三個格柵壁半圓的分區，（c)傳統格柵壁單元的 分區。
[0020] 圖5為本發明薄壁多邊形格柵-柱結構緩沖夾層板的結構示意圖。
[0021] 圖6為圖5的中間層薄壁多邊形格柵-柱結構示意圖。
[0022]圖7為實驗模型尺寸示意圖。
[0023]其中，（a)夾層板的整體尺寸；（b)緩沖夾層板芯層結構尺寸 [0024] (c)傳統夾層板芯層結構尺寸
[0025] 圖8為緩沖夾層板與傳統夾層板的平壓荷載-位移曲線。其中BHP為薄壁多邊形柵 格-柱結構的緩沖夾層板;THP為傳統夾層板
[0026] 圖9為緩沖夾層板與傳統夾層板芯層結構變形圖。
[0027] 其中，（al_a4)為緩沖夾層板;（bl_b4)為傳統夾層板 [0028]圖10為可扣搭式緩沖夾層板示例。
【具體實施方式】
[0029]此內容由兩部分組成：
[0030]第一部分通過加強柱夾層板中的小柱應力分布及理論分析得到加強柱外圍所承 受的荷載遠大于加強柱芯層，為本發明提供理論基礎。
[0031]第二部分為本發明的【具體實施方式】，通過對具有薄壁特征的多邊形格柵-柱結構 的緩沖夾層板以及傳統夾層板進行平壓實驗得出結論：當加強柱和格柵壁具有薄壁特征 時，其具有比傳統夾層板更加優秀的抗壓及緩沖性能。
[0032] 第一部分:理論基礎
[0033]圖1為加強柱夾層板和傳統夾層板中間（半高)位置的應力云圖。傳統夾層板的應 力集中分布于格柵壁的中央部位（圖1(a)，箭頭），格柵壁交叉處應力較小（圖1(a)，圓圈）； 而加強柱夾層板的應力集中只出現在小柱和格柵壁的外表面（圖1(b)，圓圈和箭頭），小柱 中心的應力極低，其中心處等云圖的顏色幾乎與面板的相同（圖1(b)，圓心）。
[0034]為了考察出現前述應力分布特征的原因，圖2給出了夾層板結構及說明壓力荷載f 等效過程的示意圖。并把分到面積六1區域的荷載記為匕（圖2，i = l，，n)，圖中荷載f#Pf3 直接通過邊框Ai和芯層A3的傳遞至下面板；而荷載f#Pf4則會等效到邊框AdPA3上（圖2 (al))。當格柵壁靠近邊框且邊框正好位于六角格柵對稱線時，A#PA 4面積不同、且對Y軸等 不對稱時（例如圖1(a)，黑色點畫線），傳遞到芯層A3上的荷載大小不同，從而會對其產生彎 矩作用（圖2，M〇)。這也使得相應的格柵壁實際上受到集中荷載F以及彎矩Mo的共同作用，容 易會發生如圖2(bl，b2)虛線所示的側向彎曲；當格柵壁兩側均為完整的格柵時（如圖1(a) 白色點畫線），可認為格柵壁受到一對大小相等的等效力作用。對于傳統夾層板，這對等效 力疊加的結果是格柵壁中間位置的等效力大，應力集中現象嚴重(如圖1(a)箭頭），格柵壁 三叉處的等效力少，應力低（圖1(a)，圓圈）。對于加強柱夾層板圖1(b)，小柱成了主要承受 等效力的主體，且等效力主要分布在小柱的外圍（圖1(b)，圓圈）。這樣不僅有效地減少了小 柱中心部的分攤荷載（圖1(b)，圓心），而且還減輕了格柵壁中間位置的等效力（圖1(b)，箭 頭）。同理，靠近邊框的格柵壁或小柱，其靠近邊框一側，即圖2(al)Y軸左側分攤到的荷載將 明顯少于右則，因此靠近邊框一側應力集中現象都明顯減少（圖1(a)，圖1(b)，星號）。至此， 從夾層板結構及其荷載f等效過程，非常圓滿地解析了圖1的有限元解析結果，首次闡明了 加強柱本身的應力具有芯層低、外層高的分布特征。因此夾層板芯層中的多邊形格柵-柱結 構具備薄壁特征時，能夠更好地發揮柱結構的功能和作用。
[0035] 在前一段中，探明了加強柱夾層板中小柱芯層和外圍應力分布不同的現象。本段 將考察格柵-小柱結構中小柱所起的共享抗壓彎機制。至于夾層板芯層彎矩產生的原因，既 可以如前所述的靠近邊框格柵壁兩側結構不對稱（如圖2(al)，圖2(a2)中，面積A 2，A4的不 同），也可能是因為實際荷載的不均勻性、制造誤差所造成。從而使格柵壁處于壓彎狀態（圖 2中Mo代表各種原因所產生的彎矩之和）。從實驗結果來看，根據格柵壁側向彎曲程度不同， 產生的破壞形式也不同：斜壓破壞圖3(a，b，三角)和側向彎曲破壞圖3(c，箭頭，該格柵壁兩 端無小柱），后者即為典型的壓彎破壞形態。
[0036] 以圖4(a)格柵壁1為例，可以從幾何結構上非常直觀地揭示出蘊藏在格柵-小柱結 構中抗壓的奧秘：位于三個格柵壁交叉處的小柱，不僅是均攤的三分之一小柱面積（圖4 (a)，120°所標之處)對格柵壁1的側向抗彎剛度作了貢獻，而且均攤給格柵壁2和3的小柱面 積（圖4(b)，0 1L和01R所標之處)也對格柵壁1的側向抗彎剛度作了貢獻。按此類推，半圓對格 柵壁1的抵抗矩的貢獻只有三分之一是獨立的（圖4(b)，陰影部分），而另外三分之二分別與 格柵壁2和3共享(圖4(b)，0 1L02R03L01R)。盡管傳統格柵壁在交叉處也存在共享現象（圖4(c)， 0il92r93l9ir)，但通過比較圖4(b)和圖4(c)可知，格柵-小柱結構具有如下特征：1)格柵壁在 交叉處共用的面積明顯增加，即多了圖4(c)中五角星所標的部分;2)且該共享部分的面積 遠離Y軸，對Y軸的截面抵抗矩的貢獻大;3)格柵壁的長度顯著減少（圖4((：)，1〇1 〇〈1&1^)。再 通過前述小柱共享抗側彎機制（圖4)，因此加強柱夾層板中小柱結構使得格柵壁具有更好 的側向抗彎性能，實現了對傳統格柵壁結構的強化作用。根據前節中所述的應力分布規律 不難理解，如果在同體積情況下，薄壁的小柱將比實心小柱的夾層板具有更好的抗側向抗 彎性能。
[0037] 第二部分:本發明【具體實施方式】
[0038] 本發明實施的結構示意圖及中間夾層示意圖分別如圖5、圖6所示，該緩沖夾層板 由上下夾板和中間夾層所組成，上下夾板為平板，中間夾層為夾層狀的正六邊形的柵格緊 密排列而成，每3個正六邊形的柵格壁1的交接處均設有一個薄壁柱2，如圖6所示。柱必須具 備薄壁特征，與格柵壁一起形成薄壁多邊形格柵-柱結構，這樣的芯層結構所形成的夾層板 可以更好的發揮加強柱結構的優勢，達到具有較強的塑性變形，滿足吸能、耗能的目的。采 用平壓實驗并與傳統夾層板相比較，闡明了具有薄壁柱結構的緩沖夾層板擁有更優的力學 性能，探究薄壁柱結構在平壓過程中對芯層的影響和破壞機理。實驗所用的緩沖夾層板和 傳統夾層板整體模型尺寸如圖7(a)所示，由3D打印技術一體成型，且兩種不同結構的夾層 板其芯層截面積相同，即體積相同，因此更具有可比性。兩種夾層板的平壓性能采用平壓試 驗測定，試驗采用位移加載模式，平壓試驗裝置為CMT5105電子萬能材料試驗機，加載速率 為lmm/min〇
[0039] 圖8(a)為緩沖夾層板和傳統夾層板平壓實驗的荷載-位移曲線，由該曲線可知，1) 緩沖夾層板中的薄壁柱結構能有效地約束與之連接的格柵壁的平面外屈曲，提高其屈曲后 強度以及彈塑性變形能力。即使格柵壁和薄壁柱結構產生裂縫，二者也不會完全退出工作， 可以繼續共同承擔豎向荷載。傳統夾層板的格柵壁在平壓過程中產生平面外屈曲變形，并 發生脆性破壞;2)由于上述薄壁柱的作用，使得緩沖夾層板的極限抗壓承載力比傳統夾層 板高出15.4% ; 3)緩沖夾層板完全破壞時的豎向變形為6mm，而傳統夾層板在豎向變形達到 3.7mm時完全破壞，其豎向變形能力比傳統夾層板增加60%，說明緩沖夾層板的延性顯著高 于傳統夾層板。且在壓縮過程中，緩沖夾層板為延性破壞，傳統夾層板為脆性破壞;4)分別 設緩沖夾層板以及傳統夾層板的平壓荷載-位移曲線方程分別為其 中1^(1)為豎向荷載，X為緩沖夾層板的豎向變形，依據公式1對二者的荷載-位移曲線進行 積分可得兩種緩沖夾層板從開始受壓到破壞時所吸收能量的大小。可得緩沖夾層板在整個 壓縮過程中吸收的能量為184.8J，而傳統夾層板則為88.4J，比傳統夾層板增加110%，說明 緩沖夾層板具有更強的變形耗能能力。當緩沖夾層板受到沖擊荷載時，可吸收更多的沖擊 能量，從而更好地保護主體結構和人們的生命財產安全。
[0040]
[0041 ]其中△一兩種緩沖夾層板完全破壞時所對應的豎向變形
[0042]為得到緩沖夾層板和傳統夾層板芯層結構的破壞情況，使用鋸條將兩種緩沖夾層 板的一側面板切開，得到圖9中緩沖夾層板(a)及傳統夾層板(b)芯層結構變形圖。由兩種緩 沖夾層板實際芯層變形圖可知（圖9(al)，圖9(bl))，在豎向荷載作用下，緩沖夾層板芯層結 構中的格柵壁和薄壁柱結構都產生S型的波浪狀變形（圖9(al)箭頭）；傳統夾層板芯層結構 中的格柵壁則只向其一側發生鼓曲，產生C型變形，格柵壁交匯處出現明顯的扭轉變形（圖9 (bl)箭頭，星號）。當傳統芯層格柵壁中部發生破壞而退出工作，繼續承擔豎向荷載的是格 柵壁交匯處形成的三角形柱，而緩沖夾層板芯層結構中本身就存在薄壁柱結構。因此為了 方便比較兩種緩沖夾層板平壓性能的不同，將兩種芯層結構都看作是由小柱結構和格柵壁 (薄板)結構組成（圖9(a2)、圖9(b2)) :緩沖夾層板芯層組成為薄壁柱和格柵壁，二者在A，B， C處連接;傳統夾層板芯層結構組成為三角形柱和格柵壁，二者在Υ ,Β'，(/處連接，且假設 格柵壁交匯處的三角形柱范圍如圖9(b3)虛線圓所示，其直徑與薄壁柱相同。將圖9(al)，圖 9(bl)中虛線框所示范圍作為研究緩沖夾層板和傳統夾層板芯層結構的基本單元，其變形 情況如圖9(a2)，圖9(b2)所示。下面分別從格柵壁交匯處小柱的破壞形式、格柵壁的邊緣約 束條件及其平面外屈曲變形模態三個方面來闡明薄壁柱結構對夾層芯層破壞方式的影響。
[0043] 1)格柵壁交匯處小柱的破壞形式：由上述分析可知，兩種芯層結構之間的根本區 別是格柵壁交匯處的小柱形狀不同：一個是薄壁柱，另一個是由格柵壁組成的三角形柱。眾 所周知，在豎向荷載作用下柱子會發生壓縮、彎曲和扭轉三種變形形式，其中彎曲和扭轉屬 于失穩變形，其臨界承載力遠低于壓縮變形。首先由于進行的是平壓實驗，因此處于格柵壁 交匯處的小柱(無論是薄壁柱還是三角形柱)肯定會發生壓縮變形。其次由于二者周圍有格 柵壁作為側向支撐，因此很難因彎曲變形而發生破壞。在這種情況下，扭轉變形則成為決定 小柱破壞的主要因素。在豎向荷載下，閉口截面的薄壁柱的抗扭剛度剛度遠高于開口截面 的三角形柱，因此如圖9(a3，b3)所示，薄壁多邊形柵格-柱結構的緩沖夾層板中的薄壁柱結 構幾乎不產生扭轉變形，而是由于壓縮形成S型的波浪狀變形;傳統夾層板中的三角形柱則 以扭轉變形為主，三片格柵壁形成C形的平面外屈曲。顯然，薄壁柱的壓縮變形承載力明顯 高于三角形柱的扭轉屈曲承載力。
[0044] 2)格柵壁的邊緣約束條件：由上述分析可知，在相同的豎向荷載情況下三角形柱 繞〇點產生扭轉角Θ(圖9(b2))。也正因如此，雖然薄壁多邊形柵格-柱結構的夾層芯層結構 以及傳統夾層芯層結構的格柵壁都分別與薄壁柱和三角形柱相連，但實際上格柵壁(其本 質為一塊薄板)的邊緣約束條件是不同的，如圖9(a4)，圖9(b4)所示。上下面板不會發生平 面外轉動，因此兩種不同芯層結構中的格柵壁與上下面板之間都是固接（圖9(a4)，圖9(b4) 實線）。但由于三角形柱在豎向荷載作用下產生扭轉角Θ，根據二者的變形協調原則，與之連 接的格柵壁在Y，B'，(/處也會產生轉角Θ，所以傳統格柵壁實質為鉸接（圖9(b4)虛線）；薄 壁柱則以壓縮變形為主，幾乎不產生扭轉，因此其格柵壁和小柱之間的連接為固接（圖9 (a4)實線）。也就是說，緩沖夾層板中的格柵壁實質是為四邊固接的薄板，而傳統夾層板中 的格柵壁則為兩邊固接，兩邊鉸接。
[0045] 3)格柵壁平面外屈曲變形模態：由于上述薄板與小柱的連接方式以及小柱結構本 身破壞形式的不同導致格柵壁的平面外屈曲變形模態也是不同的。根據變形協調原則，緩 沖夾層板芯層結構中格柵壁發生的平面外屈曲變形模態與薄壁柱結構相同，為三個半波的 波浪狀變形以83^0，即薄板的第三階屈曲模態），而傳統格柵壁與三角形柱相同，為只有 一個半波的C型變形(A4'，即薄板的第一階屈曲模態）。根據薄板屈曲理論，薄板發生第三 階屈曲模態的臨界荷載值要大于第一階屈曲模態。
[0046] 綜上所述，薄壁多邊形格柵-柱結構緩沖夾層板和傳統夾層板看似相近的芯層結 構，其在荷載作用下的變形和破壞方式則完全不同。這一精巧的優化設計則使得格柵壁交 匯處小柱的破壞形式、格柵壁本身的邊緣約束條件及其平面外屈曲變形模態都產生了變 化，并進一步影響整體夾層板的塑性變形性能。如前所述，薄壁多邊形格柵-柱結構夾層板 已初步證實其抗壓及緩沖性能相對于傳統夾層板有明顯提升，是一種重量更輕、強度更大、 塑性變形能力更好的夾層板結構。除了常規領域，更適用于航空航天、船舶或交通運輸等對 蜂窩板緩沖耗能能力要求更高的領域。所以其應用范圍極其廣泛，是對傳統夾層板的一次 重大革新，為緩沖耗能結構提供了新的研究方向。
[0047]本發明緩沖夾層板，不同的材料其制造方法可以完全不同，如用樹脂、塑料，可用 模具整體成型；如用纖維材料，可采用織造方法;如用金屬材料，可用粘連方法及沖壓相結 合的方法成型。
[0048]本發明多邊形柵格結構不限于正六邊形的夾層狀結構，這種柵格結構也可以是正 三角形、正方形結構。薄壁柱的形狀可以是圓形或多邊形。
[0049] 實施例1 一種輕質高強封邊緩沖夾層板
[0050] 該結構由上下夾板，以及含有薄壁柱的柵格層組成。板材四周根據需要制成與板 材一體的封邊結構，便于規格化使用；
[0051 ]實施例2-種輕質高強保溫隔熱緩沖夾層板
[0052] 該結構除了由上下夾板，以及含有薄壁柱的柵格層組成外，所選用的材料均系保 溫隔熱性能較好的材料，且在中間層空腔處填塞保溫材料，實現該板材在輕質高強的基礎 上，還具有相應優良的保溫隔熱性能；
[0053] 實施例3-種輕質高強隔音緩沖夾層板
[0054]該結構除了由上下夾板，以及含有薄壁柱的柵格層組成外，在空腔中填塞隔音性 能較好的材料，使得該板材達到輕質高強隔音的目的；
[0055] 實施例4 一種輕質高強夾層曲面板
[0056] 該結構依然由上下夾板，以及含有薄壁柱的柵格層組成，但在制作時，通過調整模 具，實現板面由平變曲，增強板材的適用范圍；
[0057] 實施例5-種輕質高強可搭扣式緩沖夾層板
[0058] 該結構除了有上下夾板，含有薄壁柱的柵格層，以及四周的封邊外，在封邊處還設 計有相應的搭接扣件(如圖10所示），方便板材在使用時的拼接。
【主權項】
1. 一種緩沖夾層板，包括上夾板、下夾板和中間緩沖層，其特征在于:所述中間緩沖層 為薄壁多邊形柵格-柱結構，該中間層薄壁多邊形柵格-柱結構由多邊形柵格單元和交匯于 相鄰多邊形柵格單元間的空心薄壁柱構成，所述多邊形格柵單元的格柵壁端部連接在所述 薄壁柱的壁面上，所述薄壁柱的圓心在所述格柵壁交匯處的中心。2. 根據權利要求1所述的緩沖夾層板，其特征在于:所述薄壁柱與上夾板和下夾板直接 相連。3. 根據權利要求1所述的緩沖夾層板，其特征在于:所述多邊形柵格單元為正三角形、 正方形或正六邊形。4. 根據權利要求1所述的緩沖夾層板，其特征在于:所述薄壁柱壁厚不大于相鄰兩薄壁 柱圓心之間距離的四分之一，所述格柵壁壁厚是薄壁柱壁厚的0.5~2倍。5. 根據權利要求1所述的緩沖夾層板，其特征在于:所述上夾板、下夾板和中間緩沖層 之間采用粘接劑連接或一次成型；所述中間多邊形柵格單元與薄壁柱之間采用粘接劑連 接、一次成型或卡扣式連接。6. 根據權利要求1所述的緩沖夾層板，其特征在于:在所述中間緩沖層和薄壁柱內填充 耐火保溫隔聲材料。7. 根據權利要求1所述的薄壁多邊形柵格-柱結構緩沖夾層板，其特征在于:所述上夾 板和下夾板是平面板或曲面板。
【文檔編號】B32B3/08GK105946298SQ201610424319
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】陳錦祥, 張曉明, 謝娟, 徐夢燁
【申請人】東南大學