一种多级手风琴式蜂窝结构的制作方法

本发明属于轻质结构设计领域，具体涉及一种多级手风琴式蜂窝结构。

背景技术：

结构的承载性能与其自身重量一直是工程中相互矛盾的一组关系，承载能力越强，结构越笨重。而随着现代社会的快速发展，如何在提高结构承载能力的同时大幅度降低结构的质量已成为航空航天、土木建筑、海洋船舶、车辆工程、能源动力、国防工业等领域所集中关注的问题。在此背景之下，人类向自然学习，从动物骨骼、蜜蜂巢穴、飞鸟羽翼、植物根茎等天然结构中，设计和制备出各种各样的轻质多孔结构，这些结构在承力、降噪、吸波、散热等方面具有出色的表现和良好的可设计性，发展潜力巨大。其中，在各类轻质多孔结构中，蜂窝结构和波纹夹芯结构制备简单，性能优异，已得到广泛应用。

蜂窝结构是一种典型的轻质多孔结构，由多边形胞元阵列而成，如四方蜂窝和六方蜂窝。整体结构具有较低的质量和较高的比吸能，但传统的蜂窝胞元多为弯曲主导型的外凸多边形，当受到面内载荷时，出现胞元的折叠变形，宏观的承载力不高，同时，由于胞壁厚度很低，易发生弹性屈曲，若采用增厚胞壁的方式提升承载力，则又会显著增大结构重量，与轻量化的设计初衷相违背。因此，需要开发胞元形状，同时对胞壁进行优化设计，以实现整体结构的性能提升。

波纹夹芯结构由两层薄面板和中间的波纹板所组成，具有质量轻、强度高、容易成型和制造成本低等优点。但对于传统的波纹夹芯结构而言，其垂直于波纹方向的抗弯曲能力明显大于平行于波纹方向的抗弯曲能力；平行于波纹方向的抗剪切能力明显大于垂直于波纹方向的抗剪切能力，且抗局部屈曲变形和局部坍塌的能力较低，从而使得波纹夹芯结构在工程应用中具有明显的局限性。为了避开这些设计上的缺陷，需要开发具有轻质、耐冲击、隔声、降噪等优点的多功能复合材料与结构。

技术实现要素：

本发明提供了一种多级手风琴式蜂窝结构，克服现有蜂窝结构和波纹夹芯结构的缺陷，充分利用各自的力学特性，提升结构承载性能的同时大幅降低结构质量，实现轻量化。

本发明采用如下的技术方案：

一种多级手风琴式蜂窝结构，该蜂窝结构由若干个两级代表性胞元周期交错排列而成；其中，

一级代表性胞元是由两个相同的菱形结构平行交错重叠成一个有一定壁厚的波浪形结构，二级代表性胞元为波纹夹芯结构，用于将两级代表性胞元相复合，获得多级手风琴式蜂窝结构。

本发明进一步的改进在于，波纹夹芯结构由一定厚度的面板和波纹板组成。

本发明进一步的改进在于，该蜂窝结构根据胞元周期排列情况将其分解为三类不同的六段：第一整边和第二整边，第一半边和第二半边，以及第一波浪边和第二波浪边，其中第一整边和第二整边，第一半边和第二半边，以及第一波浪边和第二波浪边均关于胞元中心旋转对称，且第一整边、第一半边、第一波浪边、第二整边、第二半边及第二波浪边依次连接形成蜂窝结构。

本发明进一步的改进在于，代表性胞元周期排列时，任意一个代表性胞元的第一整边和第二整边分别与相邻两个代表性胞元的第二整边和第一整边相重叠，第一半边和第二半边分别与相邻两个代表性胞元的第二半边和第一半边相重叠，第一波浪边和第二波浪边分别与相邻两个代表性胞元的第二波浪边和第一波浪边相重叠，且所有重叠边中的二级波纹结构完全重合。

本发明进一步的改进在于，一级胞元整边长为l1，相应的，其半边和波浪边长度分别为0.5l1和1.5l1，l1越大，单个胞元尺寸越大；张角为α，α越大，凹陷程度越大；实体壁厚为t1，t1越大，实体壁厚越大；二级胞元边长为l2，夹角为β，面板壁厚为波纹板壁厚为复合后的一二级胞元之间存在关系式：

本发明进一步的改进在于，通过调节边长l1和l2，张角α，夹角β，壁厚和改变蜂窝结构的具体尺寸，继而改变其相应的力学性能。

本发明具有如下的有益效果：

本发明所述结构由一级手风琴式结构与二级波纹夹芯结构相复合而成，仿真结果显示复合后的结构具有比单一结构更加优异的力学性能。此外，一二级结构的承载能力和力学表现并不相同，两者之间通过参数t1相关联，t1越小，一级结构所占比例越高，反之则二级结构所占比例越高，因此可通过调节t1改变复合结构中一二级胞元所占比例，

继而改变整体结构的力学行为和承载能力。

此外，本发明可以根据实际需要通过调节一二级结构的关联参数改变各结构胞元所占比例，使结构的力学行为出现相应的变化，并获得比单一结构更加良好的承载性能。此外，还可以针对不同的加载条件和工作环境，调整胞元的边长、张角、壁厚等参数，对多级手风琴式蜂窝结构进行进一步的优化设计，充分发挥该结构的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明所述多级手风琴式蜂窝结构代表性胞元示意图。

图2为一二级结构代表性胞元示意图，其中，图2(a)为一级手风琴式蜂窝结构代表性胞元示意图，图2(b)为二级波纹夹芯结构代表性胞元示意图。

图3为本发明所述多级手风琴式蜂窝结构胞元阵列示意图。

图4为本发明所述多级手风琴式蜂窝结构示意图，其中，图4(b)为图4(a)的局部放大图。

图5为本发明所述多级手风琴式蜂窝结构面内准静态加载有限元仿真结果。

图6为本发明所述优选结构，其中，图6(a)为菱形填充多级手风琴式蜂窝结构，图6(b)为kagome格栅填充多级手风琴式蜂窝结构，图6(c)为金属泡沫填充多级手风琴式蜂窝结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种多级手风琴式蜂窝结构，其代表性胞元由图2(a)中一级手风琴式胞元和图2(b)中二级波纹板夹芯胞元复合而成，将波纹夹芯板取代手风琴蜂窝结构实体胞壁，即获得本发明所述的多级手风琴式蜂窝结构。可根据胞元间相对关系，将代表性胞元分解为三类边：第一整边1和第二整边4，第一半边2和第二半边5，以及第一波浪边3和第二波浪边6。其中第一整边1和第二整边4，第一半边2和第二半边5，以及第一波浪边3和第二波浪边6均关于胞元中心旋转对称，且第一整边1、第一半边2、第一波浪边3、第二整边4、第二半边5及第二波浪边6依次连接形成蜂窝结构。

所述的多级代表性胞元周期排列时，单个胞元a与相邻胞元之间关系图如图3所示，与相邻胞元b和e关于第一整边1和第二整边4完全重叠，与相邻胞元c和f关于第一半边2和第二半边5完全重叠，与相邻胞元d和g关于第一波浪边3和第二波浪边6完全重叠。其余胞元也依次类推，交错排列，使得胞元占据整个空间，最终形成图4中的多级手风琴式蜂窝结构。

一级胞元整边长为l1，相应的，其半边和波浪边长度分别为0.5l1和1.5l1，l1越大，单个胞元尺寸越大。张角为α，α越大，凹陷程度越大。实体壁厚为t1，t1越大，实体壁厚越大。二级胞元边长为l2，夹角为β，面板壁厚为波纹板壁厚为复合后的一二级胞元之间存在关系式：

图5为整体尺寸为812×700×2mm³的复合结构在不同t1下的准静态压缩力位移曲线，从图中可以看出，当t1＝1.06mm时，结构出现明显的二次平台区，平台区之间曲线变化较为陡峭，这是由于一级手风琴胞元的外凸多边形在压缩载荷下先相互接触形成四边形，之后四边形再相互滑移形成三角形，因此，整体结构的力学行为表现出明显的一级手风琴结构变形特征。当t1＝1.41mm时，力位移曲线出现了明显的提高，平台区缩短，

且平台区之间的曲线变化相对较缓，这是由于随着t1的增加，二级结构所占比例有所增加，更多的三角形胞元使得整体结构刚度增加，因此提高了整体结构的承载性能，与此同时，一级手风琴结构的力学特性有所减弱。而当t1＝2.12mm时，结构的力位移曲线不再出现明显的二次平台区，而是随着压缩位移的不断增加相应增加，这说明此时结构不再主要表现出一级手风琴结构的变形特征，而是更多地表现出二级波纹夹芯结构三角形胞元不断压溃的变形特征。因此，本发明所述复合结构具有良好的可设计性，可根据实际需要调节关联参数t1改变一二级结构的胞元在整体结构中所占比例，使复合结构表现出不同的力学特性和承载性能，从而适用于不同的工作环境。

对图5的进一步分析可以发现，本发明所述复合结构既不是一级手风琴胞元越多性能越好，也不是二级三角形胞元越多性能越好，而是当两者之间达到一个平衡值时具有更优秀的力学表现。这也说明本发明所述复合结构具有良好的性质，能够通过协调不同胞元所占比例获得比单一结构更好的承载性能，具有较好的工程应用价值。

除此之外，还可以通过更换二级结构实现对多级手风琴式蜂窝结构的进一步优选，如图6所示的菱形结构、kagome格栅结构及金属泡沫等，不能认定本发明的具体优选方式仅限于此，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或替换，都应当视为本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。