CN105946298A - 一种缓冲夹层板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓冲夹层板，包括上夹板、下夹板和中间缓冲层，所述中间缓冲层为薄壁多边形栅格‑柱结构，该中间层薄壁多边形栅格‑柱结构由多边形栅格单元和交汇于相邻多边形栅格单元间的空心薄壁柱构成，所述多边形格栅单元的格栅壁端部连接在所述薄壁柱的壁面上，所述薄壁柱的圆心在所述格栅壁交汇处的中心。其中薄壁柱结构能有效约束格栅壁的平面外变形，提高格栅壁屈曲后强度以及弹塑性变形能力，并且保证二者始终共同工作，有效提高夹层板抗压强度和缓冲性能，得到重量更轻、强度更高、缓冲性能更好的夹层板，特别适用于航空航天、船舶交通等对夹层板缓冲性能要求较高等领域，可以有效保障主体结构和人们的生命财产安全。

Description

一种缓冲夹层板

技术领域

本发明涉及一种夹层板，尤其涉及一种芯层具有薄壁多边形栅格-柱结构缓冲夹层板，其格栅壁和柱都具有薄壁特征。

背景技术

在节能环保已经成为产品主要评价指标的今天，新型轻质高强结构的研究受到人们的重视。夹芯板以其重量轻、刚度大、缓冲性能好等特点成为航空、航天、铁路、汽车、建筑等领域不可缺少的结构之一。由于一开始制作成本较高，上世纪50年代起主要用于航空航天领域。后随着科技进步，工艺方法的改进逐渐应用到其他工业领域。制作夹层板的材料有纸质、复合材料、树脂、金属等。夹层板轻质高强的特点主要由于其中间芯层为结构。但自夹层板使用以来，可能是因为格栅壁薄已经很薄(如铝的，纸质的，有的在0.01毫米以下)，对于夹层是薄壁结构的夹层板几乎没有改进，有改进的大多是新型复合材料的夹层板，如手征夹层板，一体化夹层板等。因此，几十年来对于芯层是薄壁结构的夹层板来说，其芯层或是六边，方格等形状的变化，或是尺寸大小的变化，而几乎没有对夹层芯的结构进行改进，从而导致其各项力学性能没有本质提高，没有紧跟现代科技的发展、开拓缓冲夹层板更大的应用潜力。之前陈锦祥等提出芯层具有加强柱的夹层板，但经过理论分析与实验证明之后得出以下结论：虽然蜂窝夹层板可以有效提高蜂窝板的抗压性能，抗弯性能以及弹性变形性能等非弹性变形方面的各项力学性能指标，但对应用于要求具有塑性变形的缓冲吸能等用途，则无法满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供了一种塑性变形能力强，缓冲性能好的缓冲夹层板。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种缓冲夹层板，包括上夹板、下夹板和中间缓冲层，其特征在于：所述中间缓冲层为薄壁多边形栅格-柱结构，该中间层薄壁多边形栅格-柱结构由多边形栅格单元和交汇于相邻多边形栅格单元间的空心薄壁柱构成，所述多边形格栅单元的格栅壁端部连接在所述薄壁柱的壁面上，所述薄壁柱的圆心在所述格栅壁交汇处的中心。

所述薄壁柱与上夹板和下夹板直接相连。

所述多边形栅格单元为正三角形、正方形或正六边形。

所述薄壁柱壁厚不小于相邻两薄壁柱圆心之间距离的四分之一，所述格栅壁壁厚是薄壁柱壁厚的0.5～2倍。

所述上夹板、下夹板和中间缓冲层之间采用粘接剂连接或一次成型；所述中间多边形栅格单元与薄壁柱之间采用粘接剂连接、一次成型或卡扣式连接。

在所述中间缓冲层和薄壁柱内填充耐火保温隔声材料。

所述上夹板和下夹板是平面板或曲面板。

本发明缓冲夹层板中，通过优化调整薄壁柱的厚度与中间缓冲层的高度之间的比例关系，将作用在夹层板表面的冲击转移到中间缓冲层上并吸收冲击力，从而有效约束格栅壁的平面外变形，提高格栅壁屈曲后强度以及弹塑性变形能力，并且保证二者始终共同工作。相比于传统夹层板，其极限抗压承载力，破坏时的竖向变形能力，缓冲性能等都有明显提升。相比添加了实心小柱的夹层板，则能节约材料，充分发挥材料的性能，使得结构的质量分布更均匀，更加合理；相比薄壁柱内有格栅壁的夹层板，更加节约材料，同时，以它为骨架，填充功能材料时，也更加容易进行填充。总而言之，它是一种重量轻、强度高、缓冲性能好的夹层结构，适用于各种领域，特别适用于航空航天、船舶交通等对夹层板缓冲性能要求较高等领域。

附图说明

图1加强柱夹层板与传统夹层板应力分布图。

其中(a)加强柱夹层板；(b)传统夹层板

图2加强柱夹层板和传统夹层板荷载等效示意图。

其中(a1，b1)加强柱夹层板；(a2,b2)传统夹层板

图3加强柱夹层板的破坏形式。

图4加强柱夹层板单元格栅壁交汇处的断面共享情况分析模型。

其中(a)格栅壁1的分区情况，(b)三个格栅壁半圆的分区，(c)传统格栅壁单元的分区。

图5为本发明薄壁多边形格栅-柱结构缓冲夹层板的结构示意图。

图6为图5的中间层薄壁多边形格栅-柱结构示意图。

图7为实验模型尺寸示意图。

其中，(a)夹层板的整体尺寸；(b)缓冲夹层板芯层结构尺寸

(c)传统夹层板芯层结构尺寸

图8为缓冲夹层板与传统夹层板的平压荷载-位移曲线。其中BHP为薄壁多边形栅格-柱结构的缓冲夹层板；THP为传统夹层板

图9为缓冲夹层板与传统夹层板芯层结构变形图。

其中，(a1-a4)为缓冲夹层板；(b1-b4)为传统夹层板

图10为可扣搭式缓冲夹层板示例。

具体实施方式

此内容由两部分组成：

第一部分通过加强柱夹层板中的小柱应力分布及理论分析得到加强柱***所承受的荷载远大于加强柱芯层，为本发明提供理论基础。

第二部分为本发明的具体实施方式，通过对具有薄壁特征的多边形格栅-柱结构的缓冲夹层板以及传统夹层板进行平压实验得出结论：当加强柱和格栅壁具有薄壁特征时，其具有比传统夹层板更加优秀的抗压及缓冲性能。

第一部分：理论基础

图1为加强柱夹层板和传统夹层板中间(半高)位置的应力云图。传统夹层板的应力集中分布于格栅壁的中央部位(图1(a),箭头)，格栅壁交叉处应力较小(图1(a),圆圈)；而加强柱夹层板的应力集中只出现在小柱和格栅壁的外表面(图1(b),圆圈和箭头)，小柱中心的应力极低，其中心处等云图的颜色几乎与面板的相同(图1(b),圆心)。

为了考察出现前述应力分布特征的原因，图2给出了夹层板结构及说明压力荷载f等效过程的示意图。并把分到面积A_i区域的荷载记为f_i(图2，i＝1,┅,n)，图中荷载f₁和f₃直接通过边框A₁和芯层A₃的传递至下面板；而荷载f₂和f₄则会等效到边框A₁和A₃上(图2(a1))。当格栅壁靠近边框且边框正好位于六角格栅对称线时，A₂和A₄面积不同、且对Y轴等不对称时(例如图1(a)，黑色点画线)，传递到芯层A₃上的荷载大小不同，从而会对其产生弯矩作用(图2，M₀)。这也使得相应的格栅壁实际上受到集中荷载F以及弯矩M₀的共同作用，容易会发生如图2(b1，b2)虚线所示的侧向弯曲；当格栅壁两侧均为完整的格栅时(如图1(a)白色点画线)，可认为格栅壁受到一对大小相等的等效力作用。对于传统夹层板，这对等效力叠加的结果是格栅壁中间位置的等效力大，应力集中现象严重(如图1(a)箭头)，格栅壁三叉处的等效力少，应力低(图1(a),圆圈)。对于加强柱夹层板图1(b)，小柱成了主要承受等效力的主体，且等效力主要分布在小柱的***(图1(b)，圆圈)。这样不仅有效地减少了小柱中心部的分摊荷载(图1(b),圆心)，而且还减轻了格栅壁中间位置的等效力(图1(b)，箭头)。同理，靠近边框的格栅壁或小柱，其靠近边框一侧，即图2(a1)Y轴左侧分摊到的荷载将明显少于右则，因此靠近边框一侧应力集中现象都明显减少(图1(a)，图1(b)，星号)。至此，从夹层板结构及其荷载f等效过程，非常圆满地解析了图1的有限元解析结果，首次阐明了加强柱本身的应力具有芯层低、外层高的分布特征。因此夹层板芯层中的多边形格栅-柱结构具备薄壁特征时，能够更好地发 挥柱结构的功能和作用。

在前一段中，探明了加强柱夹层板中小柱芯层和***应力分布不同的现象。本段将考察格栅-小柱结构中小柱所起的共享抗压弯机制。至于夹层板芯层弯矩产生的原因，既可以如前所述的靠近边框格栅壁两侧结构不对称(如图2(a1)，图2(a2)中，面积A₂,A₄的不同)，也可能是因为实际荷载的不均匀性、制造误差所造成。从而使格栅壁处于压弯状态(图2中M₀代表各种原因所产生的弯矩之和)。从实验结果来看，根据格栅壁侧向弯曲程度不同，产生的破坏形式也不同：斜压破坏图3(a，b，三角)和侧向弯曲破坏图3(c，箭头，该格栅壁两端无小柱)，后者即为典型的压弯破坏形态。

以图4(a)格栅壁1为例，可以从几何结构上非常直观地揭示出蕴藏在格栅-小柱结构中抗压的奥秘：位于三个格栅壁交叉处的小柱，不仅是均摊的三分之一小柱面积(图4(a)，120°所标之处)对格栅壁1的侧向抗弯刚度作了贡献，而且均摊给格栅壁2和3的小柱面积(图4(b)，θ_1L和θ_1R所标之处)也对格栅壁1的侧向抗弯刚度作了贡献。按此类推，半圆对格栅壁1的抵抗矩的贡献只有三分之一是独立的(图4(b)，阴影部分)，而另外三分之二分别与格栅壁2和3共享(图4(b)，θ_1Lθ_2Rθ_3Lθ_1R)。尽管传统格栅壁在交叉处也存在共享现象(图4(c)，θ_1Lθ_2Rθ_3Lθ_1R)，但通过比较图4(b)和图4(c)可知，格栅-小柱结构具有如下特征：1)格栅壁在交叉处共用的面积明显增加，即多了图4(c)中五角星所标的部分；2)且该共享部分的面积远离Y轴，对Y轴的截面抵抗矩的贡献大；3)格栅壁的长度显著减少(图4(c)，J_○J_○<J_△J_△)。再通过前述小柱共享抗侧弯机制(图4)，因此加强柱夹层板中小柱结构使得格栅壁具有更好的侧向抗弯性能，实现了对传统格栅壁结构的强化作用。根据前节中所述的应力分布规律不难理解，如果在同体积情况下，薄壁的小柱将比实心小柱的夹层板具有更好的抗侧向抗弯性能。

第二部分：本发明具体实施方式

本发明实施的结构示意图及中间夹层示意图分别如图5、图6所示，该缓冲夹层板由上下夹板和中间夹层所组成，上下夹板为平板，中间夹层为夹层状的正六边形的栅格紧密排列而成，每3个正六边形的栅格壁1的交接处均设有一个薄壁柱2，如图6所示。柱必须具备薄壁特征，与格栅壁一起形成薄壁多边形格栅-柱结构，这样的芯层结构所形成的夹层板可以更好的发挥加强柱结构的优势，达到具有较强的塑性变形，满足吸能、耗能的目的。采用平压实验并与传统夹层板相比较，阐明了具有薄壁柱结构的缓冲夹层板拥有更优的力学性能，探究薄壁柱结构在平压过程中对芯层的影响和破坏机理。实验所用的缓冲夹层板和传统夹层板整体模型尺寸如图7(a)所示，由3D打印技术一体成型，且两种不同结构的夹层板其芯层截面积相同，即体积相同，因此更具有可比性。两种夹层板的平压性能采用平压试验测定，试验采用位移加载模式，平压试验装置为CMT5105电子万能材料试验机，加载速率为1mm/min。

图8(a)为缓冲夹层板和传统夹层板平压实验的荷载-位移曲线，由该曲线可知，1)缓冲夹层板中的薄壁柱结构能有效地约束与之连接的格栅壁的平面外屈曲，提高其屈曲后强度以及弹塑性变形能力。即使格栅壁和薄壁柱结构产生裂缝，二者也不会完全退出工作，可以继续共同承担竖向荷载。传统夹层板的格栅壁在平压过程中产生平面外屈曲变形，并发生脆性破坏；2)由于上述薄壁柱的作用，使得缓冲夹层板的极限抗压承载力比传统夹层板高出15.4％；3)缓冲夹层板完全破坏时的竖向变形为6mm，而传统夹层板在竖向变形达到3.7mm时完全破坏，其竖向变形能力比传统夹层板增加60％，说明缓冲夹层板的延性显著高于传统夹层板。且在压缩过程中，缓冲夹层板为延性破坏，传统夹层板为脆性破坏；4)分别设缓冲夹层板以及传统夹层板的平压荷载-位移曲线方程分别为:y₁＝L₁(x)；y₂＝L₂(x)，其中L_i(x)为竖向荷载，x为缓冲夹层板的竖向变形，依据公式1对二者的荷载-位移曲线进行积分可得两种缓冲夹层板从开始受压到破坏时所吸收能量的大小。可得缓冲夹层板在整个压缩过程中吸收的能量为184.8J，而传统夹层板则为88.4J，比传统夹层板增加110％，说明缓冲夹层板具有更强的变形耗能能力。当缓冲夹层板受到冲击荷载时，可吸收更多的冲击能量，从而更好地保护主体结构和人们的生命财产安全。

$w={\&Integral;}_0^{\mathrm{\&Delta;}}{L}_1\left(x\right)dx---1$

其中Δ—两种缓冲夹层板完全破坏时所对应的竖向变形

为得到缓冲夹层板和传统夹层板芯层结构的破坏情况，使用锯条将两种缓冲夹层板的一侧面板切开，得到图9中缓冲夹层板(a)及传统夹层板(b)芯层结构变形图。由两种缓冲夹层板实际芯层变形图可知(图9(a1)，图9(b1))，在竖向荷载作用下，缓冲夹层板芯层结构中的格栅壁和薄壁柱结构都产生S型的波浪状变形(图9(a1)箭头)；传统夹层板芯层结构中的格栅壁则只向其一侧发生鼓曲，产生C型变形，格栅壁交汇处出现明显的扭转变形(图9(b1)箭头，星号)。当传统芯层格栅壁中部发生破坏而退出工作，继续承担竖向荷载的是格栅壁交汇处形成的三角形柱，而缓冲夹层板芯层结构中本身就存在薄壁柱结构。因此为了方便比较两种缓冲夹层板平压性能的不同，将两种芯层结构都看作是由小柱结构和格栅壁(薄板)结构组成(图9(a2)、图9(b2))：缓冲夹层板芯层组成为薄壁柱和格栅壁，二者在A,B,C处连接；传统夹层板芯层结构组成为三角形柱和格栅壁,二者在A′,B′,C′处连接，且假设格栅壁交汇处的三角形柱范围如图9(b3)虚线圆所示，其直径与薄壁柱相同。将图9(a1)，图9(b1)中虚线框所示范围作为研究缓冲夹层板和传统夹层板芯层结构的基本单元，其变形情况如图9(a2)，图9(b2)所示。下面分别从格栅壁交汇处小柱的破坏形式、格栅壁的边缘约束条件及其平面外屈曲变形模态三个方面来阐明薄壁柱结构对夹层芯层破坏方式的影响。

1)格栅壁交汇处小柱的破坏形式：由上述分析可知，两种芯层结构之间的根本区别是格栅壁交汇处的小柱形状不同：一个是薄壁柱，另一个是由格栅壁组成的三角形柱。众 所周知，在竖向荷载作用下柱子会发生压缩、弯曲和扭转三种变形形式，其中弯曲和扭转属于失稳变形，其临界承载力远低于压缩变形。首先由于进行的是平压实验，因此处于格栅壁交汇处的小柱(无论是薄壁柱还是三角形柱)肯定会发生压缩变形。其次由于二者周围有格栅壁作为侧向支撑，因此很难因弯曲变形而发生破坏。在这种情况下，扭转变形则成为决定小柱破坏的主要因素。在竖向荷载下，闭口截面的薄壁柱的抗扭刚度刚度远高于开口截面的三角形柱，因此如图9(a3，b3)所示，薄壁多边形栅格-柱结构的缓冲夹层板中的薄壁柱结构几乎不产生扭转变形，而是由于压缩形成S型的波浪状变形；传统夹层板中的三角形柱则以扭转变形为主，三片格栅壁形成C形的平面外屈曲。显然，薄壁柱的压缩变形承载力明显高于三角形柱的扭转屈曲承载力。

2)格栅壁的边缘约束条件：由上述分析可知，在相同的竖向荷载情况下三角形柱绕O点产生扭转角θ(图9(b2))。也正因如此，虽然薄壁多边形栅格-柱结构的夹层芯层结构以及传统夹层芯层结构的格栅壁都分别与薄壁柱和三角形柱相连，但实际上格栅壁(其本质为一块薄板)的边缘约束条件是不同的，如图9(a4)，图9(b4)所示。上下面板不会发生平面外转动，因此两种不同芯层结构中的格栅壁与上下面板之间都是固接(图9(a4)，图9(b4)实线)。但由于三角形柱在竖向荷载作用下产生扭转角θ，根据二者的变形协调原则，与之连接的格栅壁在A′,B′,C′处也会产生转角θ，所以传统格栅壁实质为铰接(图9(b4)虚线)；薄壁柱则以压缩变形为主，几乎不产生扭转，因此其格栅壁和小柱之间的连接为固接(图9(a4)实线)。也就是说，缓冲夹层板中的格栅壁实质是为四边固接的薄板，而传统夹层板中的格栅壁则为两边固接，两边铰接。

3)格栅壁平面外屈曲变形模态：由于上述薄板与小柱的连接方式以及小柱结构本身破坏形式的不同导致格栅壁的平面外屈曲变形模态也是不同的。根据变形协调原则，缓冲夹层板芯层结构中格栅壁发生的平面外屈曲变形模态与薄壁柱结构相同，为三个半波的波浪状变形(AB,BC,CD,即薄板的第三阶屈曲模态)，而传统格栅壁与三角形柱相同，为只有一个半波的C型变形(A′B′,即薄板的第一阶屈曲模态)。根据薄板屈曲理论，薄板发生第三阶屈曲模态的临界荷载值要大于第一阶屈曲模态。

综上所述，薄壁多边形格栅-柱结构缓冲夹层板和传统夹层板看似相近的芯层结构，其在荷载作用下的变形和破坏方式则完全不同。这一精巧的优化设计则使得格栅壁交汇处小柱的破坏形式、格栅壁本身的边缘约束条件及其平面外屈曲变形模态都产生了变化，并进一步影响整体夹层板的塑性变形性能。如前所述，薄壁多边形格栅-柱结构夹层板已初步证实其抗压及缓冲性能相对于传统夹层板有明显提升，是一种重量更轻、强度更大、塑性变形能力更好的夹层板结构。除了常规领域，更适用于航空航天、船舶或交通运输等对蜂窝板缓冲耗能能力要求更高的领域。所以其应用范围极其广泛，是对传统夹层板的一次重大革新，为缓冲耗能结构提供了新的研究方向。

本发明缓冲夹层板，不同的材料其制造方法可以完全不同，如用树脂、塑料，可用模 具整体成型；如用纤维材料，可采用织造方法；如用金属材料，可用粘连方法及冲压相结合的方法成型。

本发明多边形栅格结构不限于正六边形的夹层状结构，这种栅格结构也可以是正三角形、正方形结构。薄壁柱的形状可以是圆形或多边形。

实施例1一种轻质高强封边缓冲夹层板

该结构由上下夹板，以及含有薄壁柱的栅格层组成。板材四周根据需要制成与板材一体的封边结构，便于规格化使用；

实施例2一种轻质高强保温隔热缓冲夹层板

该结构除了由上下夹板，以及含有薄壁柱的栅格层组成外，所选用的材料均系保温隔热性能较好的材料，且在中间层空腔处填塞保温材料，实现该板材在轻质高强的基础上，还具有相应优良的保温隔热性能；

实施例3一种轻质高强隔音缓冲夹层板

该结构除了由上下夹板，以及含有薄壁柱的栅格层组成外，在空腔中填塞隔音性能较好的材料，使得该板材达到轻质高强隔音的目的；

实施例4一种轻质高强夹层曲面板

该结构依然由上下夹板，以及含有薄壁柱的栅格层组成，但在制作时，通过调整模具，实现板面由平变曲，增强板材的适用范围；

实施例5一种轻质高强可搭扣式缓冲夹层板

该结构除了有上下夹板，含有薄壁柱的栅格层，以及四周的封边外，在封边处还设计有相应的搭接扣件(如图10所示)，方便板材在使用时的拼接。

Claims (7)

1.一种缓冲夹层板，包括上夹板、下夹板和中间缓冲层，其特征在于：所述中间缓冲层为薄壁多边形栅格-柱结构，该中间层薄壁多边形栅格-柱结构由多边形栅格单元和交汇于相邻多边形栅格单元间的空心薄壁柱构成，所述多边形格栅单元的格栅壁端部连接在所述薄壁柱的壁面上，所述薄壁柱的圆心在所述格栅壁交汇处的中心。

2.根据权利要求1所述的缓冲夹层板，其特征在于：所述薄壁柱与上夹板和下夹板直接相连。

3.根据权利要求1所述的缓冲夹层板，其特征在于：所述多边形栅格单元为正三角形、正方形或正六边形。

4.根据权利要求1所述的缓冲夹层板，其特征在于：所述薄壁柱壁厚不大于相邻两薄壁柱圆心之间距离的四分之一，所述格栅壁壁厚是薄壁柱壁厚的0.5~2倍。

5.根据权利要求1所述的缓冲夹层板，其特征在于：所述上夹板、下夹板和中间缓冲层之间采用粘接剂连接或一次成型；所述中间多边形栅格单元与薄壁柱之间采用粘接剂连接、一次成型或卡扣式连接。

6.根据权利要求1所述的缓冲夹层板，其特征在于：在所述中间缓冲层和薄壁柱内填充耐火保温隔声材料。

7.根据权利要求1所述的薄壁多边形栅格-柱结构缓冲夹层板，其特征在于：所述上夹板和下夹板是平面板或曲面板。