一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，包括上面板和下面板，上面板和下面板之间固定有波纹夹芯，波纹夹芯中部固定有水平加强筋，所述水平加强筋厚度低于波纹夹芯的厚度。本发明专利技术结构简单、质量轻、加工过程简易，可显著提高波纹夹芯夹层复合材料结构的力学性能，保障运载装备中核心结构与乘员的安全；同时还详细地揭示了改进的波纹夹芯夹层复合材料结构产生的耦合变形机理对结构吸能效率提升的重要作用。理对结构吸能效率提升的重要作用。理对结构吸能效率提升的重要作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构


[0001]本专利技术涉及航空航天、车辆工程和轨道交通结构设计领域，具体涉及一种基于耦合变形失效机理改进的波纹夹芯夹层复合材料结构。

技术介绍

[0002]波纹夹芯夹层复合材料结构是由上下两层高强度的碳纤维面板和轻质量的金属波纹夹芯组成，相比于传统的复合材料层合板结构具有减振、比强度高、比吸能高和可设计性高等优点。因此，夹层复合材料结构有更大的应用潜力，对航空航天安全和军工装备防护等具有重要意义。然而，传统的波纹夹芯夹层复合材料结构中波纹夹芯的变形失效模式较单一，较多的材料未被充分利用，导致材料失效耗能不充分、结构吸能效率较低，已无法满足各领域对夹层复合材料结构力学性能和轻量化等越来越高的要求。为了更好地实现结构质量最小化并提高结构吸能效率来保障装备中核心部件与乘员的安全，如何诱导特定的夹芯变形失效模式，来充分利用夹芯材料耗散能量成为了本
关键的问题。因此，有必要提供一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构来解决上述问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术中传统波纹夹芯夹层复合材料结构存在的上述不足，提出了一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其结构简单、质量轻、加工过程简易，可显著提高波纹夹芯夹层复合材料结构的力学性能，保障装备中核心结构与乘员的安全；同时还详细地揭示了改进的波纹夹芯夹层复合材料结构产生的耦合变形机理对结构吸能效率提升的重要作用。
[0004]本专利技术的技术方案：
[0005]一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，包括上面板和下面板，上面板和下面板之间固定有波纹夹芯，波纹夹芯中部固定有水平加强筋，所述水平加强筋的厚度为0.1mm
‑
1mm且不高于波纹夹芯的厚度。
[0006]进一步的改进，所述波纹夹芯的顶部通过上粘接界面与上面板粘结固定连接，底部通过下粘接界面与下面板粘结固定。
[0007]进一步的改进，所述上面板和下面板均为碳纤维复合材料层合板。
[0008]进一步的改进，所述碳纤维复合材料层合板包括单向复合材料层合板和编织复合材料层合板；所述碳纤维复合材料层合板为4～20层。
[0009]进一步的改进，所述上面板和下面板的总厚度取值范围为1～6mm。
[0010]进一步的改进，所述波纹夹芯和水平加强筋均由轻质薄壁金属材料制成。
[0011]进一步的改进，所述轻质薄壁金属材料为铝材。
[0012]进一步的改进，所述波纹夹芯的形状为梯形波纹状、锯齿形波纹状或正弦形波纹状；波纹夹芯的波数为2～20个。
[0013]进一步的改进，所述波纹夹芯上每个波的水平加强筋7为1～5个。
[0014]进一步的改进，所述波纹夹芯高度方向的正中位置固定有水平加强筋，波纹夹芯与水平加强筋一体成形或焊接固定；波纹夹芯进行喷砂表面处理。
[0015]与传统的波纹夹芯夹层复合材料结构相比，本专利技术的优点在于：
[0016](1)本专利技术提出的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构可产生耦合变形失效模式，充分地发挥了夹芯材料的吸能效率，不仅在吸能性能上保持甚至优于传统的波纹夹芯夹层复合材料结构设计，而且还实现了结构轻量化设计、提高了结构的抗弯曲性能等目的。
[0017](2)本专利技术提出的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构产生的耦合变形失效模式归功于嵌入的水平加强筋，这种水平加强筋质量轻、结构简单、加工过程简易、制造成本低、可设计性高，还能在加载过程中与波纹夹芯一同形成耦合吸能作用。
[0018](3)本专利技术提出的基于耦合变形失效机理的加强筋结构设计方法能够很好地解决传统波纹夹芯变形模式单一导致的材料耗散能量不充分的问题，在引入轻质量加强筋结构的情况下仍然具有更高的比吸能效率。此外，该加强筋结构设计方法提高了波纹夹芯夹层复合材料结构的可设计性，通过合理的参数设计可满足夹层结构不同力学性能的设计需求。
附图说明
[0019]图1a是本专利技术所述一种基于耦合失效变形机理的波纹夹芯夹层复合材料结构示意图；
[0020]图1b是未改进(传统)的波纹夹芯夹层复合材料结构示意图；
[0021]图2是本专利技术所述改进的梯形波纹夹芯结构示意图；
[0022]图3是本专利技术所述改进的锯齿形波纹夹芯和正弦形波纹夹芯示意图；
[0023]图4揭示了本专利技术所述改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的耦合变形失效机理；
[0024]图5是本专利技术所述改进和未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的载荷
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位移曲线；
[0025]图6a是本专利技术未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的最终变形失效模式；
[0026]图6b是本专利技术改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的最终变形失效模式；
[0027]图7是本专利技术所述改进和未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构在三点弯曲载荷下的吸能
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位移曲线；
[0028]图8对比了本专利技术所述改进和未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构中子部件的内能(An和Bn指的是内能值)；
[0029]图9对比了本专利技术所述未改进的波纹夹芯夹层复合材料结构、基于0.5mm厚的加强筋改进的波纹夹芯夹层复合材料结构I和基于0.25mm厚的加强筋改进的波纹夹芯夹层复合材料结构II在三点弯曲载荷下的比吸能。
[0030]图中：
[0031]1、上面板；2、波纹夹芯；3、下面板；4、上粘接界面；5、下粘接界面；7、水平加强筋。
具体实施方式
[0032]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0033]请结合附图1
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9，本专利技术提供一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，包括上面板1、波纹夹芯2、下面板3、上粘接界面4、下粘接界面5。所述波纹夹芯2上固定有水平加强筋7；所述水平加强筋7位于波纹夹芯2中，通过连接技术成为一体化结构；碳纤维上面板1与波纹夹芯2通过胶粘方法粘结，其间形成上粘接界面4；碳纤维上面板2与波纹夹芯2同样也通过胶粘方法粘结，其间形成下粘接界面5。
[0034]上面板1和下面板3通过碳纤维树脂基单向或编织复合材料层合板制成；所述上粘接界面4与下粘接界面5通过环氧树脂固化而成。对于所述波纹夹芯2中粘接区域，首先采用喷砂表面处理技术使所述波纹夹芯2与所述碳纤维上面板1和碳纤维下面板3的接触面变粗糙，然后采用基于丙酮或无水乙醇与少量树脂的混合溶液预涂于所述波纹夹芯2、碳纤维上下面板1和3的表面；通过丙酮或无水乙醇提高树脂的流动性来填充表面孔洞，进一步提高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，包括上面板(1)和下面板(3)，上面板(1)和下面板(3)之间固定有波纹夹芯(2)，波纹夹芯(2)中部固定有水平加强筋(7)，所述水平加强筋(7)的厚度为0.1mm
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1mm且不高于波纹夹芯(2)的厚度。2.根据权利要求1所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述波纹夹芯(2)的顶部通过上粘接界面(4)与上面板(1)粘结固定连接，底部通过下粘接界面(5)与下面板(3)粘结固定。3.根据权利要求1所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述上面板(1)和下面板(3)均为碳纤维复合材料层合板。4.根据权利要求3所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结构，其特征在于，所述碳纤维复合材料层合板包括单向复合材料层合板和编织复合材料层合板；所述碳纤维复合材料层合板为4～20层。5.根据权利要求3所述的一种基于耦合变形失效机理的波纹夹芯夹层复合材料结...

【专利技术属性】
技术研发人员：任毅如，蒋宏勇，金其多，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：