三维负刚度蜂窝结构及其制备方法技术

三维负刚度蜂窝结构及其制备方法，它涉及负刚度蜂窝结构及其制备方法，本发明专利技术要解决现有普通蜂窝结构通过塑性变形吸收能量，限制了能量吸收，且普通的蜂窝结构的不可恢复性，也限制了蜂窝结构的重复使用的问题。本发明专利技术的结构通过3D打印制备或者切割板的方式制备嵌片，并在嵌片上开槽，通过槽嵌锁到一起，并进行钎焊，最终制成三维负刚度蜂窝结构。本发明专利技术的结构具有高初始刚度、可恢复性的能量吸收强。本发明专利技术应用于航空航天领域。

Three dimensional negative stiffness honeycomb structure and preparation method thereof

The three-dimensional negative stiffness of honeycomb structure and a preparation method thereof, which relates to the negative stiffness of honeycomb structure and a preparation method thereof. The invention solves the existing ordinary honeycomb structure through plastic deformation and energy absorption, limited energy absorption, and ordinary honeycomb structure can not recover, but also limits the repeated use of the honeycomb structure problem. The structure of the invention by 3D printing preparation or cutting plate prepared by means of insert, and the embedded on-chip slot, slot by interlocking together, and brazing, and eventually made three-dimensional negative stiffness honeycomb structure. The structure of the invention has high initial stiffness and recoverable energy absorption. The invention is applied to the aerospace field.

【技术实现步骤摘要】
三维负刚度蜂窝结构及其制备方法
本专利技术涉及负刚度蜂窝结构设计及其制备方法，具体涉及三维负刚度蜂窝结构设计及其制备方法。
技术介绍
随着航空航天技术等工程技术的高速发展，对轻质，吸能结构的需求更加迫切。相对于其他低密度的材料,如随机泡沫,蜂窝提供非常高水平的抗压强度和能量吸收,这些特征和细胞形状和密度直接相关。蜂窝结构的应力-应变曲线可以说明它的高能量吸收。弹塑性材料组成的蜂窝通常表现出一个线弹性区域，蜂窝的细胞壁面内压缩表现弯曲或轴向压缩。超出临界压力时，细胞壁通过弹性屈曲(以非常低的相对密度)或塑性屈曲崩溃。然后观察到随着细胞壁逐行压溃，出现应力平台区。最后,当细胞壁压溃，结构致密，刚度迅速增加至接近胞壁材料的刚度，孔隙空间减少。传统多孔材料，如六边形蜂窝，通过塑性变形吸收能量，这就限制了能量吸收的可恢复性并限制了蜂窝结构的重复使用。传统蜂窝结构承受压力时的力学变化：首先在初始阶段表现出弹性变形，随着胞壁的塑形屈曲当发生单胞一排排的失效时，相应进入一个相对的平台区，当所有的单胞失效时，结构发生密实化导致应力突然增加。通过调整单胞的几何参数可控制结构的承力阈值和原有的弹/塑性行为。低相对密度几何参数的结构在压缩载荷下表现出可恢复的弹性屈曲，而高相对密度表现出不可恢复性塑性屈曲。
技术实现思路
本专利技术针对现有普通蜂窝结构通过塑性变形吸收能量，限制了能量吸收；且限制了普通的蜂窝结构的可恢复性；也限制了蜂窝结构的重复使用的问题。基于以上情况，本专利技术提出了三维负刚度蜂窝结构及其制备方法，它既可以表现出相当大的正刚度，还可以在负刚度结构压缩后完全恢复。本专利技术的具体结构如下：本专利技术的三维负刚度蜂窝结构，它由四个嵌片嵌锁到一起，形成的“井”字形结构；所述的四个嵌片均开有贯穿其高度一半的嵌锁槽口，每个嵌锁槽口的宽度等于嵌片的厚度，且四个嵌片的厚度相同；四个嵌片其中两个定义为列组，另外两个定义为行组，列组的嵌锁槽口与行组的嵌锁槽口嵌锁到一起，形成三维负刚度蜂窝结构。该结构的制备方法为：一、采用线切割方式制备嵌片；二、将制备的嵌片开嵌锁槽口，通过嵌锁槽口将每四个嵌片组装到一起，形成“井”字形结构；三、通过钎焊工艺对组装到一起的嵌片的嵌锁槽口进行焊接，即完成所述的三维负刚度蜂窝结构制备。本专利技术的结构还可以通过3D打印方式制备。本专利技术的三维负刚度蜂窝结构通过尼龙制备，其单位质量吸能可达724.406mJ/g以上，比现有的蜂窝结构单位吸能提高58％以上。本专利技术的三维负刚度蜂窝结构负刚度更加明显，且正刚度提高，单位质量的能量吸收也会提高，优化后的结构可以吸收更多的能量。三维结构相较二维结构有较高的单位质量吸能，组成三维负刚度蜂窝结构的板较薄，因此其相对密度较小，在变形后吸收更多的能量。本专利技术的三维负刚度蜂窝结构具有高初始刚度、可恢复性的能量吸收。附图说明图1为本专利技术的嵌片结构示意图；图2为图1中的“六边形”单元的结构示意图；图3为本专利技术三维负刚度蜂窝结构模型示意图；图4为三维负刚度蜂窝结构上下表面连接钢板后的结构示意图；图5为采用不锈钢制备出的嵌片照片；图6为采用不锈钢制备出的三维负刚度蜂窝结构照片；图7为采用3D打印制备出的三维负刚度蜂窝结构照片；图8为实施例1采用不锈钢板制备的三维负刚度蜂窝结构有限元模拟图；其表现了在承受压力的各个阶段形态；图9为实施例1三维负刚度蜂窝及其优化结构结构的力-位移曲线图，其中A为ABAQUS曲线图；B为实施例1的三维负刚度蜂窝曲线图；图10为实施例2的普通蜂窝按时间进度的有限元模拟模型图；图11为实施例2的嵌片按时间进度的有限元模拟模型图；其表现了在承受压力的各个阶段形态；图12为实施例2的普通蜂窝结构和嵌片的力-位移曲线图，其中，A为普通蜂窝结构曲线图；B为嵌片的曲线图；图13为实施例2嵌片及其优化结构结构的力-位移曲线图，其中，A为未优化嵌片曲线图；B为优化后嵌片的曲线图；图14为实施例2三维负刚度蜂窝按时间进度的有限元模拟模型图；图15为实施例2三维负刚度蜂窝及其优化结构结构的力-位移曲线图；其中，A为优化后的三维负刚度蜂窝曲线图，B为未优化的三维负刚度蜂窝曲线图；图16为本专利技术的“六边形”单元结构尺寸示意图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式的三维负刚度蜂窝结构，它由四个嵌片1嵌锁到一起，形成了三维负刚度蜂窝结构；所述的四个嵌片1均开有嵌锁槽口3，每个嵌锁槽口3的宽度等于嵌片1的厚度，且四个嵌片1的厚度相同；四个嵌片1其中两个定义为列组，另外两个定义为行组，列组的嵌锁槽口3与行组的嵌锁槽口3嵌到一起，形成三维负刚度蜂窝结构；所述的嵌片1是由五个中空的“六边形”单元1-1、上横梁片1-2和下横梁片1-3构成；其中，每个“六边形”单元1-1的左右两边均与中垂线平行；一个“六边形”单元1-1的一边与另一个“六边形”单元1-1的一边相连，且位于嵌片1的上部，与其对称设置的另一个“六边形”单元1-1的一边与其中一个“六边形”单元1-1的一边相连，且位于嵌片1的下部；剩余的一个“六边形”单元1-1位于上部两个“六边形”单元1-1与下部两个“六边形”单元1-1之间，并分别与上下部两个“六边形”单元1-1相连，且其左右两边分别位于上部两个“六边形”单元1-1的中垂线上；所述的上横梁片1-2一端与上部的一个“六边形”单元1-1的上部两边的连接处相连，另一端与上部的另外一个“六边形”单元1-1的上部两边的连接处相连；所述的下横梁片1-3与下部的一个“六边形”单元1-1的下部两边的连接处相连，另一端与下部的另外一个“六边形”单元1-1的下部两边的连接处相连；所述的嵌片1开设有两个嵌锁槽口3，每个嵌锁槽口3是分别沿着上部的两个“六边形”单元1-1的中垂线方向开设，且每个嵌锁槽口3深度为嵌片1整体高度一半。本实施方式的嵌片1通过线切割方式对整体钢板或者合金板进行切割加工成一体式的嵌片，其结构组成如本实施方式所描述。本实施方式的嵌片也可通过3D打印方式打印出一体式的嵌片结构。本实施方式的嵌锁槽口贯穿于上部的两个“六边形”单元，并开设至中间“六边形”单元两边的中间处。本实施方式的三维负刚度蜂窝结构还可以是通过一整块钢板采用线切割方式在钢板上切割成连接在一起的嵌片1，并在每个嵌片1开有嵌锁槽口3，在另外三个整块钢板上切割同样结构的嵌片1，通过每个嵌片1的嵌锁槽口3按照具体实施方式一的方式嵌锁到一起，然后通过钎焊工艺钎焊后，得到三维负刚度蜂窝结构的初级结构，并在此初级结构上下表面通过焊接方式焊上能够覆盖三维负刚度蜂窝结构的初级结构的两块钢板，即得到三维负刚度蜂窝结构。具体实施方式二：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：“六边形”单元1-1上下四边均开槽。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。具体实施方式三：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于：“六边形”单元1-1上下四边为“波浪形”，所述的上两边其上部分均为外凸的弧形边，下部分均为内凹的弧形边，所述的下两边与上两边以“六边形”单元1-1的横向轴线呈对称设置。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。具体实施方式四：结合图1至4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不本文档来自技高网...

【技术保护点】
三维负刚度蜂窝结构，其特征在于它由四个嵌片(1)嵌锁到一起，形成的“井”字形结构；所述的四个嵌片(1)均开有贯穿其高度一半的嵌锁槽口(3)，每个嵌锁槽口(3)的宽度等于嵌片(1)的厚度，且四个嵌片(1)的厚度相同；四个嵌片(1)其中两个定义为列组，另外两个定义为行组，列组的嵌锁槽口(3)与行组的嵌锁槽口(3)嵌锁到一起，形成三维负刚度蜂窝结构。

【技术特征摘要】
1.三维负刚度蜂窝结构，其特征在于它由四个嵌片(1)嵌锁到一起，形成的“井”字形结构；所述的四个嵌片(1)均开有贯穿其高度一半的嵌锁槽口(3)，每个嵌锁槽口(3)的宽度等于嵌片(1)的厚度，且四个嵌片(1)的厚度相同；四个嵌片(1)其中两个定义为列组，另外两个定义为行组，列组的嵌锁槽口(3)与行组的嵌锁槽口(3)嵌锁到一起，形成三维负刚度蜂窝结构。2.根据权利要求1所述的三维负刚度蜂窝结构，其特征在于所述的嵌片(1)是由五个中空的“六边形”单元(1-1)、上横梁片(1-2)和下横梁片(1-3)构成；其中，每个“六边形”单元(1-1)的左右两边均与中垂线平行；一个“六边形”单元(1-1)的一边与另一个“六边形”单元(1-1)的一边相连，且位于嵌片(1)的上部，与其对称设置的另一个“六边形”单元(1-1)的一边与其中一个“六边形”单元(1-1)的一边相连，且位于嵌片(1)的下部；剩余的一个“六边形”单元(1-1)位于上部两个“六边形”单元(1-1)与下部两个“六边形”单元(1-1)之间，并分别与上下部两个“六边形”单元(1-1)相连，且其左右两边分别位于上部两个“六边形”单元(1-1)的中垂线上；所述的上横梁片(1-2)一端与上部的一个“六边形”单元(1-1)的上部两边的连接处相连，另一端与上部的另外一个“六边形”单元(1-1)的上部两边的连接处相连；所述的下横梁片(1-3)与下部的一个“六边形”单元(1-1)的下部两边的连接处相连，另一端与下部的另外一个“六边形”单元(1-1)的下部两边的连接处相连。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兵，李渊，马力，胡记强，吴林志，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23