CN113103638B - 一种零泊松比蜂窝结构及其嵌锁组装制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种零泊松比蜂窝结构及其嵌锁组装制造方法，属于轻质结构设计制造领域。该蜂窝结构由四角星形结构与星角处的水平和竖直蜂窝壁阵列组合而成。该零泊松比蜂窝结构不仅具有零泊松比的特性，而且可以实现面内与面外力学性能的分别设计，同时因水平和竖直蜂窝壁的存在，避免了蜂窝结构中角点处的多蜂窝壁连接，而且除利用3D打印工艺成型蜂窝结构之外，为蜂窝结构的制造工艺提供了新的方式，可以利用嵌锁组装工艺结合树脂基复合材料制作蜂窝结构，在材料层面进一步提高蜂窝结构的性能。

Description

一种零泊松比蜂窝结构及其嵌锁组装制造方法
技术领域
本发明属于轻质结构设计制造领域，具体涉及一种零泊松比蜂窝结构及其嵌锁组装制造方法。
背景技术
蜂窝结构作为典型的仿生结构，由于其较高的面外刚度、较轻的质量以及优秀的力学性能可设计性，常制成夹芯结构作为承重或者次承重结构应用于航空航天和交通运输等领域。按照泊松比特性不同，蜂窝结构可以分为正泊松比蜂窝结构、零泊松比蜂窝结构和负泊松比蜂窝结构。零泊松比蜂窝结构在受到单向拉伸或者单向压缩时，其横向不会发生变化，而且在进行弯曲变形时，会避免正泊松比蜂窝结构出现的马鞍形现象，特别适用于变体机翼柔性承载的需求，可同时满足变形方向一定的柔度和非变形方向足够的刚度，因此可以作为机翼支撑结构和柔性蒙皮应用于变体飞机领域，实现变展长和变弦长等机翼变形。
现有的大部分零泊松比蜂窝结构由于其结构的特殊性和复杂性的特点，往往采用3D打印技术制备成型各种聚合物塑料、金属等蜂窝结构，但是3D打印工艺成型树脂基复合材料蜂窝结构存在着一定的局限性。对于具有复杂拓扑构型的零泊松比蜂窝结构，利用3D打印技术制备连续纤维材料蜂窝仍存在一定的缺陷难以保证较高的成型质量。因此，本发明中提出了一种具有零泊松比特性的蜂窝结构，并且可以利用树脂基复合材料结合嵌锁组装工艺成型蜂窝结构，可以在材料层面进一步提高蜂窝结构的性能。
发明内容
本发明旨在提出一种零泊松比蜂窝结构及其嵌锁组装制造方法，以满足变体机翼对于支撑结构和柔性蒙皮的需求并解决3D打印工艺成型复合材料连续纤维蜂窝结构时存在的无法实现铺层角度、基体间易开裂等问题。
为实现上述目的，发明了一种蜂窝结构，该蜂窝结构不仅具有零泊松比特性，而且可以改变结构尺寸参数对整体结构的力学性能进行调控。同时基于该蜂窝结构的拓扑特点，提出了利用嵌锁组装工艺制备树脂基复合材料蜂窝结构，相比于3D打印技术在材料层面进一步地提升了结构的性能。
本发明的技术方案：
一种零泊松比蜂窝结构，由代表性蜂窝结构单胞在二维笛卡尔坐标系中沿着X和Y两个方向阵列构成，保证代表性蜂窝结构单胞形状不变；阵列步长是单胞宽度，为2H+2LcosΦ；
代表性蜂窝结构单胞包含如下几何参数：斜壁长L、直壁长H、蜂窝壁角度θ和Φ、蜂窝壁厚度t以及单胞厚度b；
代表性蜂窝结构单胞呈中心对称状，主要四角星形和直壁组成的中心对称图形；在XOY平面上，四角星形的边长为L、内角为θ；在相邻两四角星形的星角处，通过长度为H的X向、Y向直壁连接组成的中心对称图形，沿着Z向拉伸距离b构成。
一种零泊松比蜂窝结构采用嵌锁组装制造方法得到，步骤如下：
嵌锁组装工艺制备蜂窝结构的过程总体上可以分为两大阶段，一是结合树脂基复合材料成型工艺进行蜂窝结构的蜂窝板制备，二是对蜂窝板进行切割、嵌锁与组装工序。
阶段一中进行树脂基复合材料成型，在这一阶段中可以实现复合材料铺层设计，而且其成型工艺对结构性能起到显著的影响，常用的树脂基复合材料成型工艺主要包括：接触成型工艺(手糊成型工艺)、拉挤成型工艺、模压成型工艺和RTM成型工艺等。
阶段二中为保证嵌锁槽口位置和尺寸精度，采用数控切割方式对蜂窝板进行切割。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种零泊松比蜂窝结构，可以有效的解决传统蜂窝结构面临大曲率情况下易出现马鞍型效应的问题。
(2)本发明实现了蜂窝结构几何参数对零泊松比蜂窝结构力学性能的调控设计。
(3)本发明中的零泊松比蜂窝结构可以保证结构在受到较大应变时，具有稳定零泊松比特性。
(4)本发明中提出的零泊松比蜂窝结构可以采用树脂基复合材料结合嵌锁组装工艺成型。
(5)本发明中采用嵌锁组装工艺制备的复合材料蜂窝结构能实现铺层设计。
附图说明
图1是一种零泊松比蜂窝结构单胞几何尺寸定义示意图；
图2是一种零泊松比蜂窝结构示意图；
图3是一种零泊松比蜂窝结构不同β和γ参数下蜂窝结构面内泊松比ν12示意图；(a)不同β参数下面内泊松比ν12变化曲线(b)不同γ参数下面内泊松比ν12变化曲线；
图4是一种零泊松比蜂窝结构面内泊松比ν12稳定性示意图；
图5是一种零泊松比蜂窝结构的嵌锁组装工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明从设计角度和制造成型过程作进一步详细描述。
在设计角度方面，一种零泊松比蜂窝结构单胞，如图1所示，蜂窝结构单胞由蜂窝斜壁长L、直壁长H、蜂窝壁角度θ和Φ、蜂窝壁厚度t和蜂窝结构单胞厚度b表示。为便于结构设计和分析，对蜂窝单胞尺寸参数进行无量纲化处理，定义无量纲参数α，β，η，其中α为蜂窝壁长度之比，β为蜂窝壁横斜比，γ为蜂窝壁厚度比。通过将该代表性蜂窝结构单胞在x-y平面上周期排列组成零泊松比蜂窝结构，如图2所示，阵列距离为蜂窝结构单胞宽度，即2H+2LcosΦ。
一种零泊松比蜂窝结构，结合有限元中的代表体元法对代表性蜂窝结构单胞进行等效弹性模量分析，计算结果如图3所示。根据计算结果可知，本发明中蜂窝结构的面内泊松比稳定在0.002附近，具有零泊松比特性。
一种零泊松比蜂窝结构，利用有限元计算方法，分析了不同应变下蜂窝结构泊松比的变化，由图4可知，该结构在受到较大应变时，仍保证稳定的零泊松比特性。
在制造成型过程方面，一种零泊松比蜂窝结构可以利用树脂基复合材料结合嵌锁组装工艺制备，蜂窝结构成型工艺过程如图5所示。该成型工艺过程总体分为两个阶段，一是需要利用树脂基复合材料成型工艺进行蜂窝板制作，二是对成型后的蜂窝板进行切割、嵌锁与组装工序，其详细制备流程如下：
(1)首先进行蜂窝板成型模具设计，根据预先设计蜂窝斜壁长L、直壁长H和蜂窝壁角度Φ尺寸参数绘制蜂窝板阴模和阳模，设置阴模和阳模之间的间隙为蜂窝壁厚度t。
(2)本实施样例中模具尺寸为蜂窝斜壁长L＝10mm，直壁长H＝5mm，蜂窝壁角度Φ＝30°和蜂窝壁厚度t＝0.75mm，蜂窝板模具如图5(a)中所示。
(3)本实施样例中采用模具-接触低压成型工艺制备复合材料蜂窝板，常温固化，固化时间为24h，如图5(b)中所示。
(4)复合材料蜂窝板成型后，利用数控切割的方式，将蜂窝板切割出若干个等宽度b的嵌锁样件，在蜂窝结构水平壁与倾斜壁相交处沿着宽度方向切割出槽深为b/2、槽宽为t的开槽，如图5(c)中所示；
(5)最后，将上下开槽相互咬合嵌锁组装成零泊松比蜂窝结构，如如图5(d)中所示。
本发明提出了一种零泊松比蜂窝结构，由于蜂窝结构的特点，不仅具有稳定的零泊松比特性，而且为蜂窝结构的制造工艺提供了新的方式，可以利用嵌锁组装工艺结合树脂基复合材料制作蜂窝结构，在材料层面进一步提高蜂窝结构的性能。
针对不同的加载条件和工作环境，调整蜂窝结构单胞的边长、夹角和壁厚等参数，对零泊松比蜂窝结构进行优化设计，可以充分发挥该结构的工程应用价值。本发明所述的蜂窝结构具有良好的可设计性，可根据实际需要，调整尺寸参数来获得最优构型。
对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演和替换，都应当视为本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (1)

1.一种零泊松比蜂窝结构，由代表性蜂窝结构单胞在二维笛卡尔坐标系中沿着X和Y两个方向阵列构成，保证代表性蜂窝结构单胞形状不变；阵列步长是单胞宽度，为2H+2LcosΦ；
代表性蜂窝结构单胞包含如下几何参数：斜壁长L、直壁长H、蜂窝壁角度θ和Φ、蜂窝壁厚度t以及单胞厚度b；
代表性蜂窝结构单胞呈中心对称状，主要四角星形和直壁组成的中心对称图形；在XOY平面上，四角星形的边长为L、内角为θ；在相邻两四角星形的星角处，通过长度为H的X向、Y向直壁连接组成的中心对称图形，沿着Z向拉伸距离b构成。
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