一种蜂窝结构及其加工方法

1.本发明设计轻质结构设计制造领域，具体涉及一种轻质增强型蜂窝结构及其加工方法。
技术背景
2.正六边形蜂窝结构作为经典的吸能结构，其具有较好的面内，面外刚度与吸能特性。正六边形作为所有正多边形中空间利用率最佳的多边形，所以六边形蜂窝往往具有轻质高强的特性。正六边形蜂窝夹芯板具有较好的异面抗压强度与吸能特性，被广泛应用于航空航天与交通运输领域，而在防撞垫及需要构件具有多向吸能的装置中，需要考察吸能材料的共面特性。增强型蜂窝结构是在传统六边形蜂窝的胞元内再增加一个横隔板，从而得到更优越的面内吸能特性。嵌锁组装方式是蜂窝施工工艺中一种成本很低的方式，其特点在于通过在面板上开槽后，两块板的交互连接形成一个嵌锁整体。而嵌锁组装需要开制槽口，这个做法也结构带来了很大的初始缺陷，使得嵌锁组装蜂窝平台应力较低，且与焊接、粘接等方式制造的蜂窝平台应力具有较大差距，较低的耗能限制了嵌锁式蜂窝的工程应用。
3.现有的大部分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打印技术或整体焊接技术制备成各种聚合物塑料、金属等蜂窝结构，但是3d打印工艺成型复合材料蜂窝结构与焊接成型的蜂窝结构存在着一定的局限性。焊接方式制造的蜂窝需要进行整体防腐，蜂窝在焊接处往往存在缺陷，而且蜂窝焊接处的质量与蜂窝的变形耗能的情况有密切关系。3d打印工艺制备的蜂窝结构，其内部仍然存在一定的缺陷，难以保证结构高质量成型。而传统的六边形蜂窝若直接采用嵌锁组装很难实现与相同边长与厚度且采用焊接方式的蜂窝结构一致的平台应力。这是因为，传统的嵌锁组装思路是在折痕处开槽，而蜂窝的共面吸能的关键就是在于塑性铰的完整性，这样会大大减弱蜂窝的耗能特性。因此，本发明提出一种轻质增强型蜂窝结构，采用嵌锁组装的形式，并在折痕处引入一个内凹小方形的构型，避开在塑性铰开槽的方式，从而保留了塑性铰的完整，实现平台应力与耗能能力达到传统焊接组装方式的六边形蜂窝耗能能力的1.5倍左右。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题时提出一种轻质增强型的蜂窝结构及其加工方法,以满足共面压缩场景下结构缓冲吸能以及施工现场快速组装蜂窝结构的需求，并解决传统嵌锁结构低耗能问题，嵌锁组装的简洁工艺可以解决焊接工艺及3d打印工艺成型复合材料蜂窝结构时存在的结构内部缺陷以及高制造成本等问题。
5.为解决上述技术问题，发明采用的技术方案是：
6.本发明首先提供一种蜂窝结构，由六边形蜂窝胞元沿着x和y两个方向阵列构成，六边形蜂窝胞元包括上壁、下壁以及四个斜壁，上壁和下壁与四个斜壁连接处形成六个连接节点，其特征在于，在x方向和y方向上相邻两蜂窝胞元的六个连接节点均为内凹或外凸
的开口槽；六边形蜂窝胞元的上壁连接在上部两个开口槽之间并位于开口槽的中心，六边形蜂窝胞元的下壁连接在下部两个开口槽之间并位于矩形节点的中心，在中部两个开口槽之间连接有位于开口槽中心的内壁。
7.本发明还提供一种蜂窝结构的加工方法，包括：
8.根据预先设计的蜂窝斜边长l、槽形开口的边长a、b和蜂窝壁角度θ对直板进行弯折形成折弯板；
9.对折弯板和直板进行开槽；折弯板的开槽位置位于槽形开口的中心位置；
10.将折弯板平行布置，在折弯板开槽的位置插入直板后组装成蜂窝结构。
11.传统的开槽思路是在折痕出开槽，这样会大大降低耗能效果。本发明蜂窝结构，折弯板上的内凹小方形构造是为了避免在折痕处开槽而设计的，通过在折痕处引入开口的开口槽，来保留塑性铰并增加耗能，同时采用开圆孔的方式，减轻重量，实现轻质高强，在结构层面，相比于边长、厚度相同的传统蜂窝，其吸能与力学特性更优。对于本发明的轻质增强型嵌锁组装式蜂窝结构，可以改变结构尺寸参数对整体结构的力学性能进行调控。基于该增强型蜂窝结构的拓扑特点,提出了利用嵌锁组装工艺制备增强型钢蜂窝结构,相比于3d打印技术与焊接技术，在材料层面进一步地提升了结构的完成性。
12.本发明的有益效果是：
13.(1)本发明提出的蜂窝结构，是一种轻质增强型蜂窝结构，其中由开口的开口槽形成的内凹小方形保留了塑性铰的完整，可以有效的解决传统嵌锁结构制造共面耗能较低的问题，同时，嵌锁组装的工艺能解决传统蜂窝制造成本高且结构存在内部缺陷等问提。
14.(2)施工方式采用嵌锁组装，内凹小方形的构型使得槽口与槽口之间是正交联锁，相比于在折弯板折痕出开槽的传统思路，大大提升了现场施工时嵌锁的成功率。
15.(3)本发明的两种构型对比边长与质量相同的传统全焊接蜂窝结构比应力-应变曲线如图4所示(增强型嵌锁式蜂窝参数取值为θ＝60
°
，l＝一0轻轻，强＝蜂00轻轻，中＝1，同轻轻，a＝同0轻轻，b＝10轻轻，造＝6，且＝同存，蜂轻轻陷传统焊接蜂窝的参数为，边长一0轻轻，内角1同0
°
，厚度1.7mm)，本发明的轻质增强型嵌锁式蜂窝结构共面耗能高于传统焊接六边形蜂窝。
16.(4)本发明中的轻质蜂窝结构可以通过开孔来减轻质量，具有轻质高强的特性。
17.(5)本发明中提出的轻质增强型蜂窝结构可以采用嵌锁组装工艺成型，可以实现施工现场快速组装，节省运输空间与成本。
18.(6)本发明中采用嵌锁组装工艺制备的钢蜂窝结构能应用于共面缓冲吸能的场景。
附图说明
19.图1是本发明蜂窝结构示意图；
20.图2是本发明蜂窝结构的单胞结构示意图；
21.图3是本发明蜂窝结构的单胞的结构组成示意图；
22.图4是本发明蜂窝结构的单胞的参数图；
23.图5是本发明蜂窝结构的一种直板的开槽尺寸图；
24.图6是本发明蜂窝结构的第二种直板的开槽尺寸图；
25.图7是本发明蜂窝结构的折弯板的开槽尺寸图；
26.图8为本发明蜂窝结构的加工方法流程图；
27.图9是一种轻质增强型嵌锁式蜂窝的力/质量—位移曲线，(a)为构型1与传统六边形焊接蜂窝对比，(b)为构型2与传统六边形焊接蜂窝对比。
具体实施方式
28.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。
29.本实施例提供一种蜂窝结构，参见图1和图2，由六边形蜂窝胞元1沿着x和y两个方向阵列构成，六边形蜂窝胞元1包括上壁11、下壁12以及四个斜壁13，上壁11和下壁12与四个斜壁13连接处形成六个连接节点，在x方向和y方向上相邻两六边形蜂窝胞元的六个连接节点均为内凹或外凸的开口槽14，在x方向和y方向上相邻两六边形蜂窝胞元1共用一个开口槽14，即相邻两个六边形蜂窝胞元一个是内凹的开口槽，另一个则是外凸的开口槽。六边形蜂窝胞元的上壁11连接在上部两个开口槽之间并位于开口槽的中心，六边形蜂窝胞元的下壁12连接在下部两个开口槽之间并位于矩形节点的中心，在中部两个开口槽之间连接有位于开口槽中心的内壁15。开口槽14的开口处连接两个斜壁13。
30.在一个实施例中，六边形蜂窝胞元1由两个折弯板和三个直板构成，参见图3。两个折弯板分别折弯板1和折弯板2，折弯板1和折弯板2对称设置；三个直板分别为直板3、直板4和直板5，直板3和直板5形成六边形蜂窝胞元的上臂11和下壁12，直板4形成六边形蜂窝胞元的内壁15，两个折弯板形成四个侧壁13。
31.折弯板1和折弯板2结构相同，均包括两个斜边和三个开口槽，一个开口槽连接在两个斜边之间，另两个开口槽分别连接在两个斜边的另一端；三个直板水平连接在两个折弯板的三个开口槽之间。
32.两个位于斜壁两端的开口槽根据位于斜壁的不同位置即同侧或不同侧，分为两种构型。内凹或外凸的开口槽14的尺寸参见图4，包含如下几何参数：斜壁长l、内边长d、蜂窝壁角度θ、蜂窝壁厚度中以及内凹长度a，内凹宽度b。代表性蜂窝结构单胞呈中心对称状，拓扑多边形由六形加两条长度为a的直边组成；在x0y平面上，构型斜边长为l、两个内凹小方形3之间的距离为d，内角为θ；沿着z向拉伸距离强构成。
33.当六边形蜂窝胞元1由两个折弯板和三个直板组装时，在两个折弯板和三个直板上均加工有缝隙；直板3和直板5上的缝隙7参见图5；直板4上的缝隙参见图6，折弯板上的缝隙参见图7。
34.两块直板最外面预留长度k，k取左右；槽的宽度中1，中1应略大于中，取两块直板的槽深分别为h
a1
，h
a同
，两者应满足h
a1
＝h
a同
。
35.构型一中的折弯板每条边开造个孔，每个孔6的圆心之间距离为轻，孔数可以依据孔的直径且与边长l，以及高度强综合确定，具体应满足(造+1)轻＝强、且＜l、且＜轻；折弯板5的槽深为h
a3
，且h
a1
+h
a2
＝强(h
a同
+h
a3
＝强)。两种构型参数类似，均应该满足上述条件。两个构型中，直板上缝隙7之间的距离，可以由基本参数l、d、θ唯一确定。
36.本实施例提供一种轻质增强型蜂窝结构的加工方法，采用嵌锁组装制造方法得到，如图8所示，具体步骤如下：
37.嵌锁组装工艺制备新型蜂窝结构的过程总体上可以分为五个阶段,一是将直钢板通过模具弯曲成折弯板，折弯板可以有两种构型。二是利用切割工具在折弯板的斜边上开孔6来实现减轻重量的效果，三是将构件嵌锁位置进行切割开缝隙7，四则是将零件嵌锁组装成型。
38.阶段一中进行直板弯曲成型,在这一阶段中可以实现折弯板的两种构型成型，而且其成型工艺对结构性能起到显著的影响,常用的钢板成型工艺主要包括：接触成型、模压成型工艺等。
39.阶段二、三中为保证圆孔6以及缝隙7的位置和尺寸精度，采用数控切割方式对蜂窝折弯板进行切割。
40.在设计角度方面，一种增强型嵌锁式蜂窝结构单胞，如图1所示，蜂窝结构单胞由蜂窝斜壁长l、内边长d、蜂窝壁角度θ、蜂窝壁厚度中和蜂窝局部内凹边长为a、b的方形表示。
41.结合有限元对本发明的两种构型与传统全焊接蜂窝进行对比分析,计算结果如图9所示。根据计算结果可知，本发明中轻质增强嵌锁式结构的耗能特性超过了传统全焊接六边形蜂窝。
42.在制造成型过程方面,一种增强型嵌锁式蜂窝结构可以利用钢板结合嵌锁组装工艺制备,蜂窝结构成型工艺过程如图3所示。该成型工艺过程总体分为四个阶段,一是需要利用模具将直板进行弯折，从而制造两种增强型嵌锁式蜂窝构型中的折弯板，二和三是对成型后的折弯板进行切割开孔，并对所有零件进行开槽，四是将零件进行嵌锁组装，其详细制备流程如下：
43.(1)首先进行折弯板弯曲成型，根据预先设计的参数蜂窝斜边长l、内凹小方形边长a、b和蜂窝壁角度θ对直板进行弯折成型，板的厚度为中
44.(2)第二步在折弯板的斜边上开孔6，实现整体结构质量的减轻。开孔参数应满足折弯板每条边开造个孔，每个孔的圆心之间距离为轻，孔数可以依据孔的直径且与边长l，以及高度强综合确定，具体应满足(造+1)轻＝强、且＜l、且＜轻；
45.(3)第三步对各个零件用数控切割的方式进行开槽处理，缝隙7之间的距离可以经过计算得到，每个构型均有两种直板，两块直板最外面预留长度k，k取左右；槽的宽度中1，中1应略大于中，取两块直板的槽深分别为h
a1
，h
a同
，两者应满足h
a1
＝h
a同
。折弯板的槽深为h
a3
，且h
a1
+h
a3
＝强(h
a同
+h
a3
＝强)。构型2与构型1类似，均应该满足上述条件。两个构型中，直板槽口之间的距离，可以由基本参数l、d、θ唯一确定。
46.(4)将开好槽口的构件分为构型1和构型2，可以别组装两种构型。
47.(5)最后,将上下开槽相互咬合嵌锁组装成新型零泊松比蜂窝结构。
48.本发明提出了一种轻质增强型蜂窝结构，由于增强型蜂窝结构的特点，不仅具有稳定的高平台应力特性，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制作蜂窝结构，进一步提高嵌锁式蜂窝结构的力学及耗能性能。
49.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,对增强型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。
50.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。

技术特征：
1.一种蜂窝结构，由六边形蜂窝胞元沿着x和y两个方向阵列构成，六边形蜂窝胞元包括上壁、下壁以及四个斜壁，上壁和下壁与四个斜壁连接处形成六个连接节点，其特征在于，在x方向和y方向上相邻两蜂窝胞元的六个连接节点均为内凹或外凸的开口槽；六边形蜂窝胞元的上壁连接在上部两个开口槽之间并位于开口槽的中心，六边形蜂窝胞元的下壁连接在下部两个开口槽之间并位于矩形节点的中心，在中部两个开口槽之间连接有位于开口槽中心的内壁。2.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其特征在于，所述六边形蜂窝胞元由两个折弯板和三个直板构成；两个所述折弯板对称设置；所述折弯板包括两个斜边和三个开口槽，一个开口槽连接在两个斜边之间，另两个开口槽分别连接在两个斜边的另一端；三个直板水平连接在两个折弯板的三个开口槽之间。3.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其特征在于，两个位于所述斜壁两端的开口槽位于斜壁的同侧或不同侧。4.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其特征在于，在所述斜壁上设置有开孔。5.根据权利要求1所述的蜂窝结构，其特征在于，所述开口槽形由两条平行的长边和一条短边构成。6.一种蜂窝结构的加工方法，其特征在于，包括：根据预先设计的蜂窝斜边长l、槽形开口的边长a、b和蜂窝壁角度θ对直板进行弯折形成折弯板；对折弯板和直板进行开槽；折弯板的开槽位置位于槽形开口的中心位置；将折弯板平行布置，在折弯板开槽的位置插入直板后组装成蜂窝结构。7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，直板的槽深和折弯板的槽深满足：h
a1
+h
a3
＝hh
a2
+h
a3
＝h其中，h
a1
和h
a2
是相邻两块直板的槽深；h
a3
为折弯板的槽深；h为折弯板的高度。8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，在所述折弯板的斜边上设有开孔，开孔满足：n+1m＝h、d＜l、d＜m；其中，n为折弯板每条斜边上的开孔数；m为相邻两开孔圆心之间的距离；d为开孔的直径。

技术总结
本发明公开了一种蜂窝结构及加工方法，蜂窝结构由六边形蜂窝胞元沿着X和Y两个方向阵列构成，六边形蜂窝胞元包括上壁、下壁以及四个斜壁，上壁和下壁与四个斜壁连接处形成六个连接节点，在X方向和Y方向上相邻两蜂窝胞元的六个连接节点均为内凹或外凸的开口槽；六边形蜂窝胞元的上壁连接在上部两个开口槽之间并位于开口槽的中心，六边形蜂窝胞元的下壁连接在下部两个开口槽之间并位于矩形节点的中心，在中部两个开口槽之间连接有位于开口槽中心的内壁。本发明在折弯板上的内凹小方形构造是为了避免在折痕处开槽而设计的，内凹的小方形可以保留塑性铰并增强耗能特性。施工方式采用嵌锁组装，大大提升了现场施工时嵌锁的成功率。率。率。


技术研发人员：蔡建国 盘俊纬 李萌 张骞 冯健
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/8/14