CN107234837B - 一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳及其制备方法，采用模压、弯曲的方法制备金属波纹板，将金属波纹板在环形波纹模具上固型，制备得到环形金属波纹芯体，在金属圆筒模具上分别制备内、外圆筒，将芯体与内、外圆筒胶接或焊接获得波纹点阵金属夹芯圆柱壳。相较于传统单层圆柱壳，波纹点阵金属夹芯圆柱壳具有更高的强度和能量吸收效率。波纹芯体通孔内可以流通液体或者填充物质，用于圆柱壳的多功能设计。该方法设计制备的夹芯圆柱壳结构性能优良，工艺成熟，便于批量生产，具有广阔的市场前景。

Description

一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳及其制备方法
技术领域
本发明属于夹芯圆柱壳设计制备领域，具体涉及一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳设计及制备。
背景技术
薄壁圆柱壳由于其高比吸能(～3×104Nm/kg)、高容积效率(0.7～0.8)的优势，广泛应用于化工、航空航天、交通运输及核能设备等诸多民用和国防重要工业领。对于薄壁圆柱壳，提升轴向抗冲击性能和吸能效率并实现轻量化设计有着非常重要的现实意义和需求。
波纹夹芯壳由波纹芯体与上下面板通过胶接或焊接组成。上下面板的分离提高了波纹夹芯壳的抗弯刚度，而芯体主要承受剪力，提高了结构抗剪能力。以低碳钢、铝合金等金属制备而成的夹芯壳具备高比刚度/强度、高韧性、可发生塑性大变形耗散能量等特点，同时具有成本较低，易于成型的优势。此外，波纹芯体的通孔内可以流通液体或者填充物质，实现结构的多功能设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种将波纹点阵夹芯结构引入圆柱壳的设计制备中，实现承载和吸能等多种功能融合与一身的波纹点阵金属夹芯圆柱壳及其制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳制备方法，包括以下步骤：
S1、采用模压或折叠技术将平整过的金属板材制成金属波纹板；
S2、将步骤S1制备的所述金属波纹板清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，连接成一体，脱模得到环形金属波纹芯体；
S3、将平整过的金属板材切割，通过表面处理去除油污和锈迹，以直径114～133mm的金属圆筒为模具，在其上覆盖所述金属板材并连接成一体，脱模分别制成内圆筒和外圆筒；
S4、对步骤S2制备的所述环形金属波纹芯体和步骤S3制备的所述内圆筒和外圆筒进行表面处理，去除油污和锈迹后拼接，得到波纹点阵金属夹芯圆柱壳。
优选的，步骤S2和S3中，所述环形金属波纹芯体、内圆筒和外圆筒采用胶接方式连接，胶接后置于40～60℃烘箱中固化。
优选的，所述胶接采用环氧树脂胶作为胶结剂。
优选的，所述环形金属波纹芯体、内圆筒和外圆筒采用焊接方式连接。
优选的，所述焊接采用钎焊方式，真空度为10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10～60min。
优选的，所述环形金属波纹芯体、内圆筒和外圆筒采用铝合金、钛合金或不锈钢制成。
一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳，包括内圆筒和外圆筒，所述内圆筒和外圆筒之间设置有芯体，所述芯体为环形金属波纹结构，分别与所述内圆筒和外圆筒间隔形成用于流通液体或填充物质的波纹芯体通孔，所述芯体与外圆筒、内圆筒连接构成波纹点阵金属夹芯圆柱壳。
优选的，所述芯体中的波纹单胞几何形状相同，沿环向均匀分布。
优选的，所述芯体的波纹侧板与圆筒切线之间的角度为30°～60°。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳制备方法，采用模压、弯曲的方法制备金属波纹板，将金属波纹板在环形波纹模具上固型，制备得到环形金属波纹芯体，在金属圆筒模具上分别制备内、外金属圆筒，将芯体与内、外金属圆筒胶接或焊接获得波纹点阵金属夹芯圆柱壳，通过采用波纹点阵夹芯结构提高了圆柱壳的强度以及能量吸收效率，该制备方法过程简单，工艺成熟，可进行批量生产。
进一步的，当圆柱壳芯体以及内外圆筒较薄时，采用环氧树脂胶连接强度高，固化时间短，易于加工，同时胶水固化收缩率小，内应力小。
进一步的，当圆柱壳芯体以及内外圆筒较厚时，使用钎焊连接强度高，焊件变形小，可是同焊接多条钎缝，生产效率高。
本发明还公开了一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳结构，将芯体与内、外圆筒胶接或焊接获得波纹点阵金属夹芯圆柱壳，波纹点阵金属夹芯圆柱壳具有更高的强度和能量吸收效率，波纹芯体通孔内可以流通液体或者填充物质，圆柱壳结构的结构性能优良，工艺成熟，便于批量生产，具有广阔的市场前景。
进一步的，芯体中的波纹单胞几何形状相同，沿环向均匀分布，经实验与有限元仿真分析发现，波纹点阵金属夹芯圆柱壳在轴向压缩下，比同质量单层圆柱壳强度提升30％，该结构相较于各独立组件具有明显的耦合增强效应，能量吸收效率提高近50％，在承载与缓冲吸能方面都具有明显优势。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的环形波纹模具以及环形金属波纹芯体；
图2为本发明的波纹点阵金属夹芯圆柱壳；
图3为本发明波纹点阵金属夹芯圆柱壳、泡沫夹芯圆柱壳以及单层圆柱壳轴向压缩下的最小重量示意图；
图4为本发明波纹点阵夹芯圆柱壳及其各独立组件轴向压缩下的位移载荷曲线。
其中：1.波纹模具；2.芯体；3.内圆筒；4.外圆筒。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1和图2，本发明提供了一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳，采用环形金属波纹结构作为夹芯圆柱壳的芯体，依次包括：外圆筒4、芯体2和内圆筒3，所述芯体2为环形金属波纹结构，所述芯体2与外圆筒4、内圆筒2连接构成波纹点阵金属夹芯圆柱壳。
其中，芯体2中的波纹单胞几何形状相同，沿环向均匀分布。
所述环形波纹芯体波纹侧板与圆筒切线之间的角度为30°～60°。
本发明还公开了一种制备所述波纹点阵金属夹芯圆柱壳的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用模压或折叠技术将平整过的金属板材制成金属波纹板；
S2、将步骤S1制备的所述金属波纹板清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，连接成一体，脱模得到环形金属波纹芯体；
S3、将平整过的金属板材切割，通过表面处理去除油污和锈迹，以金属圆筒为模具，在其上覆盖板材连接成一体，脱模制成内圆筒和外圆筒；
S4、对步骤S2制备的所述环形金属波纹芯体和步骤S3制备的所述内圆筒和外圆筒进行表面处理，去除油污和锈迹后拼接，得到波纹点阵金属夹芯圆柱壳。
优选的，所述环形金属波纹芯体、内圆筒和外圆筒采用胶接或焊接方式连接，胶结剂为环氧树脂胶，所述焊接采用钎焊或激光焊。
优选的，所述内圆筒和外圆筒的材质为铝合金、钛合金、不锈钢。
优选的，所述环形金属波纹芯体的材质为铝合金、钛合金、不锈钢。
实施例1：
1)将平整过的0.2mm厚1060铝板采用模压技术形成金属波纹板。
2)将金属波纹板在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，在波纹接口处均匀涂覆一层胶粘剂，置于40～60℃烘箱中固化，脱模得到环形金属波纹芯体结构。
所使用胶粘剂为3M公司DP420环氧胶。
3)将0.5mm厚1060铝板裁剪为适当尺寸，在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，以直径114mm不锈钢金属圆筒为模具，在其上覆盖铝板，在铝板接口处均匀涂覆一层胶粘剂，置于40～60℃烘箱中固化，脱模得到内圆筒。
所使用胶粘剂为3M公司DP420环氧胶。
4)将0.5mm厚1060铝板裁剪为适当尺寸，在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，以直径133mm不锈钢金属圆筒为模具，在其上覆盖铝板，在铝板接口处均匀涂覆一层胶粘剂，置于40～60℃烘箱中固化，脱模得到外圆筒。
所使用胶粘剂为3M公司DP420环氧胶。
5)将环形金属波纹芯体、内圆筒、外圆筒在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，然后在环形金属波纹芯体波纹平台上均匀涂覆一层胶粘剂，将环形金属波纹芯体、内圆筒与外圆筒组合，置于40～60℃烘箱中固化，得到波纹点阵金属夹芯圆柱壳。
所使用胶粘剂为3M公司DP420环氧胶。
实施例2：
1)将平整过的0.2mm厚不锈钢板采用模压技术形成金属波纹板；
2)将金属波纹板在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，在波纹接口处均匀涂抹NiCr25P10钎焊膏，在烘箱中40～50℃烘干，然后将上述结构装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉，脱模得到环形金属波纹芯体结构；
所述钎焊：真空度控制在10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h；
3)将0.5mm厚不锈钢板裁剪为适当尺寸，在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，以直径114mm不锈钢金属圆筒为模具，在其上覆盖板材，在板材接口处均匀涂抹 NiCr25P10钎焊膏，在烘箱中40～50℃烘干，然后将上述结构装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉，脱模得到内圆筒。
所述钎焊：真空度控制在10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h；
4)将0.5mm厚不锈钢板板裁剪为适当尺寸，在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，以直径133mm不锈钢金属圆筒为模具，在其上覆盖板材，在板材接口处均匀涂抹 NiCr25P10市售的钎焊膏，在烘箱中40～50℃烘干，然后将上述结构装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉，脱模得到外圆筒；
所述钎焊：真空度控制在10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h；
5)将环形金属波纹芯体、内圆筒、外圆筒在超声清洗机中添加金属清洗剂清洗去除油污和锈迹，然后在环形金属波纹芯体波纹平台上均匀涂抹NiCr25P10钎焊膏，将环形金属波纹芯体、内圆筒与外圆筒组合，在烘箱中40～50℃烘干，然后将上述结构装入高温钎焊炉中进行焊接，焊接完成后缓冷至室温出炉得到波纹点阵金属夹芯圆柱壳；
所述钎焊：真空度控制在10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10min～1h。
经实验与有限元仿真分析发现，波纹点阵金属夹芯圆柱在轴向压缩下，比同质量单层圆柱壳强度提升30％，同时发现在轴压载荷下该结构较于各独立组件具有明显的耦合增强效应，能量吸收效率提高近50％，在承载与缓冲吸能方面都具有明显优势。
请参阅图3，为波纹点阵金属夹芯圆柱壳、泡沫夹芯圆柱壳以及单层圆柱壳轴向压缩下的最小重量设计，以最优无量纲重量为纵轴，无量纲载荷为横轴绘制，其中P为轴向压缩载荷， W为对应载荷下结构不发生破坏的最小质量，Ro为圆柱壳外径，E和ρ为圆柱壳母材的杨氏模量与密度，图中使用Ro、E和ρ分别对W和P进行无量纲化处理。
请参阅图4，为波纹点阵夹芯圆柱壳及其各独立组件轴向(波纹点阵芯体与内外圆筒)压缩下的载荷位移曲线，黑色实线为波纹点阵夹芯圆柱壳轴向压缩下的载荷位移曲线，黑色虚线为各独立组件轴向压缩的载荷位移曲线之和，阴影部分表示波纹点阵夹芯圆柱壳相对其各独立组件在轴向压缩下的耦合增强效应。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种波纹点阵金属夹芯圆柱壳的制备方法，其特征在于，包括内圆筒(3)和外圆筒(4)，内圆筒(3)和外圆筒(4)分别以直径114～133mm的金属圆筒为模具，在其上覆盖金属板材并连接成一体后脱模制成，所述内圆筒(3)和外圆筒(4)之间设置有芯体(2)，所述芯体(2)为环形金属波纹结构，分别与所述内圆筒(3)和外圆筒(4)间隔形成用于流通液体或填充物质的波纹芯体通孔，所述芯体(2)与外圆筒(4)、内圆筒(3)连接构成波纹点阵金属夹芯圆柱壳，所述芯体(2)的波纹侧板与圆筒切线之间的角度为30°～60°，芯体(2)、外圆筒(4)和内圆筒(3)采用铝合金、钛合金或不锈钢制成，所述芯体(2)中的波纹单胞几何形状相同，沿环向均匀分布，包括以下步骤：
S1、采用模压或折叠技术将平整过的金属板材制成金属波纹板；
S2、将步骤S1制备的所述金属波纹板清洗去除油污和锈迹后，在环形波纹模具上固型，连接成一体，脱模得到环形金属波纹芯体，所述环形金属波纹芯体、内圆筒和外圆筒采用胶接方式连接，胶接后置于40～60℃烘箱中固化，所述胶接采用环氧树脂胶作为胶结剂；
S3、将平整过的金属板材切割，通过表面处理去除油污和锈迹，以直径114～133mm的金属圆筒为模具，在其上覆盖所述金属板材并连接成一体，脱模分别制成内圆筒和外圆筒，所述环形金属波纹芯体、内圆筒和外圆筒采用胶接方式连接，胶接后置于40～60℃烘箱中固化，所述胶接采用环氧树脂胶作为胶结剂；
S4、对步骤S2制备的所述环形金属波纹芯体和步骤S3制备的所述内圆筒和外圆筒进行表面处理，去除油污和锈迹后拼接，得到波纹点阵金属夹芯圆柱壳，所述环形金属波纹芯体、内圆筒和外圆筒采用焊接方式连接，所述焊接采用钎焊方式，真空度为10-2～10-3Pa，以1℃/min速度自室温升温至900℃保温10～60min，所述环形金属波纹芯体、内圆筒和外圆筒采用铝合金、钛合金或不锈钢制成。
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