一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构及制备方法技术

一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构及制备方法，包括正六边形单房结构和复合材料层合板，若干正六边形单房结构呈蜂窝状排布，且相接面共用，形成蜂窝结构；蜂窝结构的上下表面粘结复合材料层合板，形成成双仿生轻质夹层结构；本发明专利技术通过模仿蜂窝的六边形结构、树叶叶脉的分布规律，将其应用到夹芯复合材料结构设计中，同时通过将三维结构转换为组装式的二维平面结构，简化结构。

【技术实现步骤摘要】
一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构及制备方法
本专利技术属于复合材料结构设计制作领域，特别涉及一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构及制备方法。
技术介绍
夹芯结构通常由两个强度和刚性较大的蒙皮面板和夹在中间轻质、较厚的芯材粘结而成，其结构特点是通过增加内部框架空间在减轻结构重量的同时，达到提升刚度，提高结构抗变形能力的目的。夹芯结构中，根据上下蒙皮面板间芯材的不同，可以分为泡沫夹芯结构、波纹板夹芯结构、蜂窝板夹芯结构等。泡沫夹芯结构质量轻但强度不高，无法作为结构件使用；波纹板夹芯结构强度高，但质量相对较大；蜂窝板夹芯结构位于两者之间，但强度要求较高时必须通过增加蜂窝厚度，也就是增大体积的方法提高夹芯结构整体刚性。增大体积随之带来的就是增大重量，同时对于高速运输工具来说，在不改变外部气动外形的情况下，增大结构件的体积必然压榨内部空间，造成承载能力的下降。因此，提高芯材结构的强度，可以有效降低夹芯结构体积的同时提升结构整体刚性。得益于复合材料轻质高强、具有优异的抗疲劳性和耐腐蚀性等优点，复合材料在航空工业和交通运输等领域被广泛应用，因此纤维增强复合材料通常会作为夹芯结构的蒙皮面板使用，但是由于成型方法与复杂形状的限制很少使用纤维增强复合材料进行芯材的制备。借助先进的纤维增强复合材料3D打印技术，可以实现复杂复合材料结构零件的一体化成形。但现有研究表明该方法与传统成熟3D打印技术相比依然存在不足，由于无法打印支撑所以只能实现面内打印，同时只能在面内通过打印路径实现复合材料中纤维方向的控制。因此如果直接使用纤维增强复合材料3D打印技术打印芯材必然会出现成型过程中存在着纤维方向不可控、后期固化质量不可靠等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构及制备方法，以解决上述问题。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构，包括正六边形单房结构和复合材料层合板，若干正六边形单房结构呈蜂窝状排布，且相接面共用，形成蜂窝结构；蜂窝结构的上下表面粘结复合材料层合板，形成成双仿生轻质夹层结构；正六边形单房结构包括六个仿叶脉单面结构，六个仿叶脉单面结构围成正六边形单房结构。一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构的制备方法，包括以下步骤：步骤1，提取不同植物叶片上的叶脉，通过数学统计的方法找出叶脉特征参数平均值；步骤2，根据蜂窝阶层结构设计要求，确定中间夹层结构的总体高度h；步骤3，利用等比缩放原则将之前提取得到的叶脉设计规律应用到六边形蜂窝结构的单面设计中；步骤4，蜂巢蜂窝结构中正六边形单房结构规律，基于最小应力准则对所设计的仿叶脉单面结构进行六边形排布；并通过调整设计参数对模型中面面相交部位进行应力分布优；步骤5，将设计的仿叶脉单房结构进行有规律阵列排布，形成仿叶脉和蜂窝的双仿生结构；步骤6，在步骤5所形成结构的上下两面粘接复合材料层合板，制备成双仿生轻质夹层结构。进一步的，复合材料为热固性复合材料或热塑性复合材料。进一步的，步骤1中，需要确定的叶脉特征参数为：叶脉总高度H，每根叶脉分叉长度Li，宽度Di，分叉角度ai，以及叶脉分叉数量n。进一步的，步骤3中，六边形蜂窝结构的单面设计中具体计算方法为：i)确定整体比例关系：p＝h/H；ii)保证叶脉分叉数量和分叉角度值与单面结构设计方法一致；iii)单面设计中的仿叶脉分叉长度为Li×p，宽度为Di×p。进一步的，复合材料纤维方向与仿生叶脉方向保持一致。进一步的，制备的仿叶脉六面体单房结构能单独使用或若干个结构均匀垂直设置在两个板材之间组成吸能组件。与现有技术相比，本专利技术有以下技术效果：本专利技术通过模仿蜂窝的六边形结构、树叶叶脉的分布规律，将其应用到夹芯复合材料结构设计中，同时通过将三维结构转换为组装式的二维平面结构，简化结构。同时，本专利技术利用纤维增强复合材料3D打印技术，实现了上述复合材料结构的制备。制备方法简单易行，制备完成的复合材料夹芯结构具有强度高、吸能效果好等特点，本专利技术用途广泛，可以广泛应用于汽车、船体、飞行器等领域，具有良好的应用前景。附图说明图1为仿叶脉蜂窝群结构设计示意图图2为仿叶脉单面结构设计示意图图3为仿叶脉蜂窝单房结构设计示意图图4为叶脉特征提取示意图图5为基于叶脉与蜂窝协同仿生设计的复合材料夹层结构示意图图6为双仿生结构试验测试图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构的制备方法，包括以下步骤：1)参照图4，提取不同植物叶片上的叶脉，通过数学统计的方法找出叶脉特征参数平局值，如叶脉总高度H，每根叶脉分叉长度Li，宽度Di，分叉角度ai,叶脉分叉数量n等。2)根据蜂窝阶层结构设计要求，确定中间夹层结构的总体高度h。3)参照图2，利用等比缩放原则将之前提取得到的叶脉设计规律应用到六边形蜂窝结构的单面设计中，具体计算方法如下：i)确定整体比例关系：p＝h/H；ii)保证叶脉分叉数量和分叉角度值与单面结构设计方法一致；iii)单面设计中的仿叶脉分叉长度为Li×p，宽度为Di×p4)参照图3，蜂巢蜂窝结构中正六边形单房结构规律，基于最小应力准则对所设计的仿叶脉单面结构进行六边形排布。并通过调整设计参数对模型中面面相交部位进行应力分布优化，避免六个平面连接部位发生应力集中。5)参照图1，将设计的仿叶脉单房结构进行有规律阵列排布，最终形成仿叶脉和蜂窝的双仿生结构。6)参照图5，在结构的上下两面粘接复合材料层合板，最终制备成双仿生轻质夹层结构。7)在结构的制备过程中应保持复合材料纤维方向与所设计的仿生叶脉方向保持一致。本专利技术不受上述使用情况限制，上述说明书中描述的只是用来说明本专利技术的原理，在实际使用过程中可以将仿生单房排布组成成吸能组件应用，也可以将单个仿生单房结构单独使用。参照图5，其结构包括正六边形单房结构和复合材料层合板，若干正六边形单房结构呈蜂窝状排布，且相接面共用，形成蜂窝结构；蜂窝结构的上下表面粘结复合材料层合板，形成成双仿生轻质夹层结构；正六边形单房结构包括六个仿叶脉单面结构，六个仿叶脉单面结构围成正六边形单房结构。参照图6，对制备的双仿生复合材料结构进行准静态压缩力学性能测试，通过测试结构对比可以看出，其吸能抗压性能明显优于传统的聚氨酯填充夹层结构。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构，其特征在于，包括正六边形单房结构和复合材料层合板，若干正六边形单房结构呈蜂窝状排布，且相接面共用，形成蜂窝结构；蜂窝结构的上下表面粘结复合材料层合板，形成成双仿生轻质夹层结构；/n正六边形单房结构包括六个仿叶脉单面结构，六个仿叶脉单面结构围成正六边形单房结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构，其特征在于，包括正六边形单房结构和复合材料层合板，若干正六边形单房结构呈蜂窝状排布，且相接面共用，形成蜂窝结构；蜂窝结构的上下表面粘结复合材料层合板，形成成双仿生轻质夹层结构；
正六边形单房结构包括六个仿叶脉单面结构，六个仿叶脉单面结构围成正六边形单房结构。


2.一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构的制备方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种基于叶脉与蜂窝协同仿生的复合材料结构，包括以下步骤：
步骤1，提取不同植物叶片上的叶脉，通过数学统计的方法找出叶脉特征参数平均值；
步骤2，根据蜂窝阶层结构设计要求，确定中间夹层结构的总体高度h；
步骤3，利用等比缩放原则将之前提取得到的叶脉设计规律应用到六边形蜂窝结构的单面设计中；
步骤4，蜂巢蜂窝结构中正六边形单房结构规律，基于最小应力准则对所设计的仿叶脉单面结构进行六边形排布；并通过调整设计参数对模型中面面相交部位进行应力分布优；
步骤5，将设计的仿叶脉单房结构进行有规律阵列排布，形成仿叶脉和蜂窝的双仿生结构；
步骤6，在步骤5所形成结构的上下两面粘接复合材料层合板，制备成双仿生轻质夹层结构。

【专利技术属性】
技术研发人员：辛志博，段玉岗，周晋，明越科，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61