CN109334138A - 一种折叠式缓冲夹层板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种折叠式缓冲夹层板及其制备方法，包括上面板、下面板和设置在上面板与下面板之间的中间缓冲层，中间缓冲层采用若干排等间距设置的折叠式夹芯结构，折叠式夹芯结构包括上端为S型的折线夹芯和上端开口角度为倒V型的折线夹芯；上端为倒V型的折线夹芯中的倒V型结构与上端为S型的夹芯中S型结构的下端固定连接，且上端为S型的折线夹芯的上端与上面板固定连接，所述上端为S型的折线夹芯和上端为倒V型的折线夹芯的下端均与下面板固定连接。本发明的优点在于：本发明S型折线结构和倒V型结构的组合式的夹芯结构设计，兼顾考虑吸能能力和结构强度，因此与常规夹层板相比其抗冲击能力显著提高，缓冲效果更好。

Description

一种折叠式缓冲夹层板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种折叠式夹层板，特别涉及一种适用于船舶与海洋工程领域的抗冲击性能较好的折叠式缓冲夹层板及其制备方法。

背景技术

折叠式激光焊接夹层板结构具有重量轻、比强度高、防腐隔热、隔音降噪效果好、抗冲击性能高等众多优点，在船舶与海洋工程领域有着广泛的应用前景。国外已经将激光焊接夹层板应用于军舰及航母的建造，说明与传统加筋板相比其具有良好的优越性。而应用于舰船建造就需要具备良好的抵抗***冲击的能力，这也就需要提高夹层板的抗冲击性能。

夹层板夹芯的结构形式是影响其抗冲击性能的关键，较优的夹芯结构形式可以有效提高夹层板的抗冲击性能。但目前人们对于夹层板的研究仍然集中于对夹芯角度、材料厚度、结构尺寸等方面，虽然经过尺寸优化改进之后夹层板的抗冲击性能得到一定改善，但提高并不显著，没有给夹层板的力学性能带来本质提高。现有的夹层板夹芯结构形式没有得到明显的改进，所以其力学性能的提高具有局限性。

目前，对于缓冲夹层板的研究相对较少，至今仅有一些关于蜂窝缓冲夹层板的相关研究；而在折叠式缓冲夹层板方面，目前还没有相关方面的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有抗冲击夹层板的不足，提供一种抗冲击性能较好的折叠式缓冲夹层板及其制备方法，以提高夹层板的吸能能力。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种折叠式缓冲夹层板，包括上面板、下面板和设置在上面板与下面板之间的中间缓冲层，其创新点在于：所述中间缓冲层采用若干排等间距设置的折叠式夹芯结构，所述折叠式夹芯结构包括上端折弯角度为85～95°的S型的折线夹芯和上端开口角度为30～40°的倒V型的折线夹芯，且S型的折线夹芯与倒V型的折线夹芯中五条折线的比例范围为：0.9～1.1:1.8～2.2:0.9～1.1:9～11:9～11；所述上端为倒V型的折线夹芯中的倒V型结构与上端为S型的夹芯中S型结构的下端固定连接，且上端为S型的折线夹芯的上端与上面板固定连接，所述上端为S型的折线夹芯和上端为倒V型的折线夹芯的下端均与下面板固定连接。

进一步地，所述上端为S型的折线夹芯中的S型结构高度不大于

折叠式缓冲夹层板整体厚度的1/3，且不小于折叠式缓冲夹层板整体厚度的1/5。

进一步地，所述上端为倒V型的折线夹芯中的倒V型结构的高度为折叠式缓冲夹层板整体厚度的2/3～4/5。

一种上述的折叠式缓冲夹层板的制备方法，其创新点在于：所述制备方法包括如下步骤：

（1）在折弯机上制备出折叠式夹芯，即上端折弯角度为85～95°的S型的折线夹芯和上端开口角度为30～40°的倒V型的折线夹芯，并保证S型的折线夹芯与倒V型的折线夹芯中五条折线的比例范围为：0.9～1.1:1.8～2.2:0.9～1.1:9～11:9～11；

（2）采用激光将上端为倒V型的折线夹芯中的倒V型结构与上端为S型的夹芯中S型结构的下端焊接连接固定，形成完整的夹芯结构；

（3）把焊接好的夹芯的底端分别通过两条焊缝焊接在下面板上；

（4）把上面板与上端为S型的折线夹芯的上端焊接在一起，构成完整的折叠式缓冲夹层板结构。

本发明的优点在于：

（1）本发明折叠式缓冲夹层板，在缓冲夹层板的夹芯中增加了S型折线结构，在冲击波作用下，折线结构压缩变形，对冲击波压力起到了很好地缓冲作用；同时，夹芯中的倒V型结构为整个结构强度提供支撑，防止产生大变形，两者共同作用使得缓冲夹层板在抗冲击能力显著增加的同时仍然具备较好的结构强度；这种组合式的夹芯结构设计，兼顾考虑吸能能力和结构强度，因此与常规夹层板相比其抗冲击能力显著提高，缓冲效果更好；

（2）本发明折叠式缓冲夹层板，通过优化调整S型结构的折弯角度、倒V型结构的开口角度、S型结构和倒V型结构的高度比例来增加折叠式缓冲夹层板的吸能能力，提高夹层板的抗冲击性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明折叠式缓冲夹层板的结构示意图。

图2-图6为发明折叠式缓冲夹层板的制备流程示意图。

图7为常规U型夹层板的结构示意图。

图8为常规V型夹层板的结构示意图。

图9为三种夹层板的整体塑性的能量吸收曲线。

图10为三种夹层板的夹芯塑性的能量吸收曲线。

图11为三种夹层板的中心点位移曲线图。

图12-图17为折叠式缓冲夹层板在0.0ms、0.2ms、0.4ms、0.6ms、0.8ms和1.0ms的变形图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例

本实施例折叠式缓冲夹层板，如图1所示，包括上面板1、下面板2和设置在上面板1与下面板2之间的中间缓冲层3，该中间缓冲层3采用若干排等间距设置的折叠式夹芯结构，折叠式夹芯结构包括上端为S型的折线夹芯31和上端为V型的折线夹芯32，且上端为倒V型的折线夹芯32中的倒V型结构与上端为S型的夹芯31中S型结构的下端固定连接。

本实施例中，上端为S型的折线夹芯31中S型结构的折弯角度为85～95°，最佳角度90°；上端为倒V型的折线夹芯32中的倒V型结构的开口角度为30～40°，最佳角度35°；上端为S型的折线夹芯31中的S型结构高度不大于折叠式缓冲夹层板整体厚度的1/3，且不小于折叠式缓冲夹层板整体厚度的1/5，上端为倒V型的折线夹芯32中的倒V型结构的高度为折叠式缓冲夹层板整体厚度的2/3～4/5，五条折线的比例范围为0.9～1.1:1.8～2.2:0.9～1.1:9～11:9～11，最佳比例为1:2:1:10:10；此比例不包括焊接折角，焊接折角大小可由实际焊接工艺确定。上端为S型的折线夹芯31与上面板1固定连接，上端为S型的折线夹芯31和上端为倒V型的折线夹芯32的下端均与下面板固定连接。

角度和比例选型是考虑了结构质量、吸能和变形三个方面，若S型结构所占比例过大，则导致V型结构强度降低，夹层板易于产生大变形，整个结构强度降低；若S型结构所占比例过小，则在受到冲击载荷时S型结构很难产生折叠变形，使得吸能显著减少，且结构质量增加。因此，综合考虑，选取了以上角度和比例范围。其中，最佳角度和比例是根据大量的数值分析计算确定的结构参数，既便于实际制造，又具有最佳的结构性能。

本实施例折叠式缓冲夹层板可通过以下步骤制备而成，具体如下：

（1）如图2和3所示，在折弯机上制备出折叠式夹芯，即上端为S型的折线夹芯31和上端为V型的折线夹芯32；

（2）如图4所示，采用激光将上端为倒V型的折线夹芯32中的倒V型结构与上端为S型的夹芯31中S型结构的下端焊接连接固定，形成完整的夹芯结构；

（3）如图5所示，把焊接好的夹芯的底端分别通过两条焊缝焊接在下面板2上；

（4）如图6所示，把上面板1与上端为S型的折线夹芯31的上端焊接在一起，构成完整的折叠式缓冲夹层板结构。

随着3D打印技术的发展，也可以采用3D打印机直接打印折叠式缓冲夹层板，避免了焊接带来的不变，且通过3D打印制造折叠式缓冲夹层板将会更能突显其优点。

为了充分说明本发明折叠式缓冲夹层板的优点，下面以一个实例进行验证：

如图7和8所示，首先选取最常用的两种常规U型夹层板和V型夹层板，把这两种夹层板作为对比对象进行分析，对于夹层板的结构尺寸，长×宽×高分别为1m×1m×0.1m，材料厚度均为3mm，质量均约为100kg。

为方便分析，将本发明提出的折叠式缓冲夹层板用V-S型夹层板表示。V-S型缓冲夹层板的主尺度和板厚均与两种常规夹层板相同，结构质量相近，如常规U型夹层板的厚度为100mm，U型夹芯的上、下宽度分别为25mm和75mm；常规V型夹层板的厚度为100mm，V型夹芯的宽度为100mm；本发明折叠式缓冲夹层板的厚度为100mm，上端为S型的折线夹芯31和上端为V型的折线夹芯32之间的距离为50mm，上端为S型的折线夹芯31中S型结构的高度为22mm。

利用有限元软件模拟空爆载荷下夹层板结构的抗冲击性能，研究V-S型缓冲夹层板与常规夹层板的抗冲击能力。***载荷冲击折叠式缓冲夹层板的上面板，即上面板为迎爆面，下面板为背爆面。研究内容主要包括三种夹层板的吸能量以及在***载荷下夹层板的最大变形量。吸能量可以反映夹层板的抗冲击性能，吸能量越大，夹层板的缓冲效果就越好。最大变形量可以反映夹层板的结构强度，变形量越小，结构强度越大。

通过图9和图10可以看出，三种夹层板的吸能曲线趋势如下：三条曲线首先迅速上升，而后趋于平缓，最后稳定在某一值。

对于整体吸能和夹芯吸能，与两种常规夹层板相比，新式V-S型缓冲夹层板的吸能能力显著提高，V-S型缓冲夹层板比U型和V型夹层板的吸能量分别提高88%和32%，V-S型缓冲夹层板夹芯的吸能量比U型夹层板提高约150%，比V型夹层板提高约84%。

通过吸能曲线可以看出，本发明提出的V-S型折叠式缓冲夹层板的吸能能力比传统的U型和V型夹层板的吸能能力有显著的提高。

比吸能是指结构单位质量所吸收的能量，由于考虑了结构质量，因此可以更好的反映结构的吸能情况。经计算，V-S型缓冲夹层板的比吸能比U型夹层板高约78%，比V型夹层板高约30%。因此设计的V-S型折叠式缓冲夹层板吸能特性显著改善。

选取背爆面中心点为典型测点，该点位移时程曲线如图11所示，V-S型缓冲夹层板的最大变形量和V型夹层板的最大变形量基本相同，略大于U型夹层板的最大变形量，但总体来说三种夹层板的最大变形量较为接近。证明V-S型缓冲夹层板在吸能显著增加的同时仍然具备较好的结构强度，与两种常规夹层板相比具备更好的缓冲吸能效果。

本发明提出的折叠式缓冲夹层板的吸能能力得到显著提高，主要原因在于缓冲夹层板的夹芯中增加了S型折线结构。通过图12-图17所示折叠式缓冲夹层板的损伤变形情况可知，在冲击波作用下，折线结构压缩变形，对冲击波压力起到了很好地缓冲作用。同时，夹芯中的V型结构为整个结构强度提供支撑，防止产生大变形，两者共同作用使得缓冲夹层板在抗冲击能力显著增加的同时仍然具备较好的结构强度。这种组合式的夹芯结构设计，兼顾考虑吸能能力和结构强度，因此与常规夹层板相比其抗冲击能力显著提高，缓冲效果更好。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种折叠式缓冲夹层板，包括上面板、下面板和设置在上面板与下面板之间的中间缓冲层，其特征在于：所述中间缓冲层采用若干排等间距设置的折叠式夹芯结构，所述折叠式夹芯结构包括上端折弯角度为85～95°的S型的折线夹芯和上端开口角度为30～40°的倒V型的折线夹芯，且S型的折线夹芯与倒V型的折线夹芯中五条折线的比例范围为：0.9～1.1:1.8～2.2:0.9～1.1:9～11:9～11；所述上端为倒V型的折线夹芯中的倒V型结构与上端为S型的夹芯中S型结构的下端固定连接，且上端为S型的折线夹芯的上端与上面板固定连接，所述上端为S型的折线夹芯和上端为倒V型的折线夹芯的下端均与下面板固定连接。

2.根据权利要求1所述的折叠式缓冲夹层板，其特征在于：所述上端为S型的折线夹芯中的S型结构高度不大于折叠式缓冲夹层板整体厚度的1/3，且不小于折叠式缓冲夹层板整体厚度的1/5。

3.根据权利要求1所述的折叠式缓冲夹层板，其特征在于：所述上端为倒V型的折线夹芯中的倒V型结构的高度为折叠式缓冲夹层板整体厚度的2/3～4/5。

4.一种权利要求1所述的折叠式缓冲夹层板的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：

（1）在折弯机上制备出折叠式夹芯，即上端折弯角度为85～95°的S型的折线夹芯和上端开口角度为30～40°的倒V型的折线夹芯，并保证S型的折线夹芯与倒V型的折线夹芯中五条折线的比例范围为：0.9～1.1:1.8～2.2:0.9～1.1:9～11:9～11；

（2）采用激光将上端为倒V型的折线夹芯中的倒V型结构与上端为S型的夹芯中S型结构的下端焊接连接固定，形成完整的夹芯结构；

（3）把焊接好的夹芯的底端分别通过两条焊缝焊接在下面板上；

（4）把上面板与上端为S型的折线夹芯的上端焊接在一起，构成完整的折叠式缓冲夹层板结构。