内凹八边形立方点阵夹层板结构的制作方法

本发明属于承压夹层板领域，尤其涉及内凹八边形立方点阵夹层板结构。

背景技术

在工程技术领域，为了得到一种强度高、刚度大同时质量又较轻的结构，人们一直都在进行着不懈的探索。而随着现代高新技术的发展，对于一些执行特殊任务的结构物，人们对其结构的要求则更高，不但要轻质高强，同时还希望其兼具其它某些特殊的功能，比如抗爆吸能、吸热散热、吸声减振、吸波隐身、变形致动等，即希望结构能够集优良的力学性能和特殊功能于一体。对于舰艇来说，随着对舰武器攻击形式的多样化和攻击力的提升，舰艇受到的威胁和破坏越来越大，对舰艇结构的抗爆防护性能提出了更高的要求。轻质多孔点阵结构正是在这种背景下进入研究者们的视野。

点阵结构属于多孔结构的一种，而多孔结构在自然界普遍存在，比如木材、骨头和珊瑚等，这种结构是生物长期进化的结果。它们在生物体内发挥着特殊的生物功能，能够长期承受很大的静载荷和动载荷，为生物在复杂多变的环境中生存下去发挥了重要作用。

技术实现要素：

本发明创造的目的在于，提供一种具有负泊松比特性，且在静态载荷下产生的变形以及应力更小，在动态载荷下抗冲击性能更强的内凹八边形立方点阵夹层板结构，该结构能够有效提升舰船结构抵抗爆炸冲击变形的能力。

为实现前述目的，本发明创造采用如下技术方案。

本发明提出的内凹八边形立方点阵夹层板结构，由多层点阵组层叠构成，点阵组内包括多个阵列分布的单体结构；

单体结构由边长相等且上下平行正对设置的两个正方形的边框，以及设置在两个边框中间由八个可伸缩的连杆首尾相连构成的伸缩框组成；

伸缩框上的八个连杆中包括间隔设置且分别与边框的四条边平行的四个定位杆以及用于连接定位杆的四个中间杆；

在各定位杆以及相平行的边框之间，定位杆的两端点与同侧边框顶点通过斜杆相连；

位于伸缩框上侧的斜杆长度相同，位于伸缩框下侧的斜杆长度相同。

具体而言，在点阵组中，多个单体结构沿其正方形边框的两条垂直边阵列分布。

基于前述基本结构的一种优选方案是，在单体结构中，四个定位杆分别位于由边框顶点围成的长方体的四个侧面上。

基于前述基本结构的一种优选方案是，伸缩框所在的平面为两个边框所在平面的中间面。

基于前述基本结构的一种优选方案是，边框由方杆构成，连杆和斜杆由圆杆构成。

基于前述基本结构的一种优选方案是，斜杆长度为正方形边框边长的一半。

基于前述基本结构的一种优选方案是，正方形的边框由长30mm的方杆构成，方杆的截面为边长为3mm的正方形，连杆和斜杆为直径3mm的圆杆，斜杆长15mm。

其有益效果在于：

通过统计分析，本发明的点阵夹层板结构与本领域最常见的加筋板相比具有如下特性：

在相同的静载荷的作用下，点阵夹层板结构的变形模式和加筋板相同，但点阵夹层板结构的上面板和下面板的变形和应力均小于加筋板，其刚度要优于同等质量的加筋板；在等效动载荷作用下，点阵夹层板结构的上下面板的位移均远小于加筋板的位移，同时点阵夹层板结构下面板的位移也小于上面板的位移；在加筋板已经进入了塑性变形的初速度载荷下，点阵夹层板结构的变形还保持在弹性范围内，其抗冲击力学性能远优于同等质量的加筋板。

本发明具有良好的物理特性与广泛的应用前景，包括：

基于该结构可使用弹性材料制作支撑用承压结构，提高整体的承压能力；

基于该结构可使用弹性或者塑性材料制作边界约束的承压结构，能够抵挡承压结构截面厚度变薄，提高其承压能力。

基于该结构可使用塑性材料制作增强防护以及缓冲结构，具有质量轻便但强度高的特点，在接触冲击的瞬间能够产生一定量形变以缓冲瞬间冲击力，结构变形过程中，内部结构相互挤压后使缓冲结构收拢，高应力部位的相对密度不断增加，缓冲结构强度逐渐提高，实现动态缓冲、逐级抵消冲击力的效果，能够有效避免瞬间冲击破坏以及缓冲结构后续承载力下降等问题。

附图说明

图1是是实施例中单体结构的立体图；

图2是是实施例中单体结构的正视图；

图3是实施例中单体结构的俯视图；

图4是实施例中单体结构的有限元网格划分图；

图5是实施例中静载荷下单体结构的位移云图；

图6是实施例中静载荷下单体结构的应力云图；

图7是实施例中点阵夹层板结构的正视图；

图8是实施例中点阵夹层板结构的俯视图；

图9是实施例中点阵夹层板结构上面板在静载荷下位移云图；

图10是实施例中点阵夹层板结构下面板在静载荷下位移云图；

图11是实施例中点阵夹层板结构上面板在静载荷下应力云图；

图12是实施例中点阵夹层板结构下面板在静载荷下应力云图；

图13是实施例中加筋板面板在静载荷下位移云图；

图14是实施例中加筋板面板在静载荷下应力云图；

图15是点阵夹层板结构和加筋板在初速度为分别为10m/s的加载作用下面板中心节点的位移-时间曲线图；

图16是点阵夹层板结构和加筋板在初速度为分别为20m/s的加载作用下面板中心节点的位移-时间曲线图；

图17是点阵夹层板结构和加筋板在初速度为分别为30m/s的加载作用下面板中心节点的位移-时间曲线图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。

如图1所示，本发明的内凹八边形立方点阵夹层板结构的基本单元--单体结构，单体结构由边长相等且上下平行正对设置的两个正方形的边框，以及设置在两个边框中间由八个可伸缩的连杆首尾相连构成的伸缩框组成，伸缩框上的八个连杆中包括间隔设置且分别与边框的四条边(1a、1b、1c、1d)平行的四个定位杆(2a、2b、2c、2d)以及用于连接定位杆的四个中间杆(3a、3b、3c、3d)；在各定位杆以及与之平行的边之间，定位杆的端点以及该边的同侧端点通过可伸缩的斜杆4相连；位于伸缩框上侧的斜杆长度相同，位于伸缩框下侧的斜杆长度相同。

在本实施例中，单体结构由方杆和圆杆组成，其中构成上、下边框的由长30mm、截面为正方形，正方形边长3mm的方杆构成，连杆和斜杆为长15mm、直径3mm的圆杆构成，且伸缩框所在的平面为两个边框所在平面的中间面，四个定位杆分别位于两个边框围成的长方体的四个侧面上，因此在本实施例中，伸缩框上方和下方的斜杆长度一致。

为便于进行比较，同时获取本发明的负泊松比点阵夹层板结构的物理特性数据，使用msc.patran，msc.nastran和msc.dytran对本发明的单体结构以及点阵夹层板结构进行分析计算，其具体内容主要包括建立单体结构以及点阵夹层板结构的模型，并对其物理特征，包括变形以及应力大小，进行模拟计算并与现有的加筋板进行比较，以确定其实际性能。

首先基于本实施例中的单体结构进行建模得到图1、图2、图3中的单体结构模型，将单体结构模型导入msc.patran软件，对单体结构实体进行有限元网格划分得到如图4所示的网格划分图，本实施例中采用4节点四面体单元(tet4)对单体结构划分网格，其网格尺寸为3mm，节点总数为5129，单元总数为19309。

基于实际应用过程中的使用相应材料，采用q235钢的相关物理数据进行计算；q235的具体材料参数如表1所示：

表1材料参数

用msc.patran软件进行后处理获取单体结构结构在静载荷作用下的位移云图和应力云图，从图5、图6的模拟数据/结果可以得知，单体结构其最大位移出现在上端方杆中央位置，其最大应力出现在杆件连接处。依然沿用q235的材料属性，采用elasplas理想弹塑性模型对单体结构的动态力学特性进行模拟，利用msc.patran软件进行后处理后得到单体结构结构在动载荷作用下不同时间点的位移云图，得到时间节点为1ms、4ms、7ms、10ms时的最大位移分别为19.2μm、16.2μm、12.8μm、7.65μm；单体结构在动载荷作用下各时间点的应力最大值分别是184mpa，152mpa，153mpa，112mpa。

通过对单体结构的准静态力学性能和动态力学性能的计算分析，可知当单体结构受静载荷作用时，最大位移出现在上端方杆的中央，最大应力出现在斜杆与弹性圈的连接处。

在实际应用过程中，点阵夹层板结构是以单体结构阵列组合叠加后进行使用，因此在上述计算结果的基础之上，将单体结构阵列和层叠后构成点阵夹层板结构，在点阵夹层板结构中，多个单体结构沿互相垂直的两条直线阵列分布，前后左右方向相邻的单体结构之间共用该侧边框的边；在层叠的单体结构中，上下方向相邻的单体结构之间共用上方或者下方边框的边。

为便于分析计算，本实施例中沿长度方向以30×30个单体结构阵列后再层叠三层构成的点阵夹层板模型为基础进行模拟试验，同时以同质量的加筋板作为对比；加筋板与点阵夹层板结构质量相同，长宽均为0.9m，长度方向有5根t型钢，间隔150mm，宽度方向有4根t型钢，间隔180mm，t型钢腹板高度50mm，厚度6mm，面板宽度60mm，厚度8mm。

以上述基本设置在msc.patran中直接进行建模，得到点阵夹层板结构的模型。首先创建单体结构的梁单元模型，利用xyz方法建立底部4顶点、offset方法建立中部顶点、point方法建立下半部分直线，再使用镜像方法完成上半部分模型的建立。建立模型需要先对单体结构模型进行有限元网格划分，单体结构杆件采用2节点杆单元(bar2)划分，单元尺寸为3mm，然后在x、z方向进行复制操作，y方向进行镜像操作得到夹层板内部夹层结构其余的网格，再对所有节点进行equivalence操作避免出现重复节点，得到梁单元总数为518400。建立外板模型时，利用point方法选择内部夹层结构顶部和底部顶点分别做出两条直线，再利用cuive方法创建顶部和底部平面，平面尺寸为0.9m*0.9m，然后对平面进行有限元网格划分，平面的边上按照90mm的间距撒种子，用4节点四边形单元(quad4)进行网格划分，壳单元总数为200。最后，再对所有节点进行equivalence操作，节点数量为225604，完成建立的模型如图7、图8所示。

再进入load/bcs界面对试件进行载荷和边界条件的添加，先在对象(object)选项中选择displacement，进行边界条件的添加。对于水面舰艇底部板，每一块板可以认为与其他板紧密相连，所以边界条件设置为固支，即位移和转角都设为0，然后设置载荷，将对象(object)选为pressure，目标节点类型选为2d，载荷大小输入0.2mpa。

用msc.patran软件进行后处理后查看到的点阵夹层板结构上面板和下面板的位移。如图9、图10所示，上下面板的位移是几乎一致的，上面板的最大位移是0.58mm，下面板的最大位移是0.56mm，相差3.4％，最大位移均出现在板的中间。上下面板位移几乎一致的原因是作用在上面板上的载荷是一个静压力，所以可以认为点阵夹层板结构变形模式是整体变形。

图11和12分别是点阵结构上面板和下面板的应力分布，上面板最大应力是20.5mpa，下面板最大应力是19.9mpa。可以看出在固支边的中点是应力集中的点，面板的中心也有一定程度的应力集中现象，上面板中心应力为12.9mpa，下面板中心应力为12.3mpa，在固支边和中心两个应力集中的部位之间有一个正方形状的低应力区。

同样，在msc.patran中对加筋板直接进行建模。首先利用xyz方法建立4个顶点、2point方法建立直线、curve方法建立平面作为加筋板面板，然后用xyz方法在对应位置建立横纵筋顶点，直线，完成加筋板模型的建立。横纵筋采用2节点杆单元(bar2)进行网格划分，单元尺寸为30mm，梁单元总数为270。然后对平面进行有限元网格划分，先在平面的边上按照30mm的间距撒种子，用4节点四边形单元(quad4)进行网格划分，壳单元总数为900。再对所有节点进行equivalence操作，避免出现重复节点计算，节点数量为961。采用1dbeam类型对梁单元赋属性，梁单元方向为竖直方向，使用“t”型截面，并且选择2dshell类型对壳单元赋属性，厚度为8mm，进入load/bcs界面对试件进行载荷和边界条件的添加。对于水面舰艇底部板，每一块板可以认为与其他板紧密相连，所以边界条件设置为固支。在对象(object)选择displacement，添加固支边界条件，位移和转角均为0，然后将侧面所有节点框选，完成边界条件的添加。之后设置载荷，将对象(object)选为pressure，目标节点类型选为2d，载荷大小输入0.2mpa，用msc.patran软件进行处理后得到加筋板的位移。如图13所示，最大位移是0.8mm，最大位移出现在板的中间。

图14是加筋板的应力分布，最大应力是41.7mpa，出现在固支边的中点，因为横向和纵向筋的数量有所差异导致相邻两边应力分布有差异。在板中央出现有应力集中的现象，主要集中在面板下方没有横纵筋的部位。

对上述试验数据整理后得到对比结果数据表2，由表中可知，在相同的静载荷作用下，点阵夹层板结构的变形模式和加筋板相同，但点阵夹层板结构上面板和下面板的变形和应力均小于加筋板，说明点阵夹层板结构的刚度要优于同等质量的加筋板。

表2准静态载荷下点阵夹层板结构和加筋板位移和应力数据

同样设置条件下，用msc.patran软件进行处理后得到点阵夹层板结构上面板和下面板在初速度为10m/s加载作用下的数据，在四个时间点1ms，4ms，7ms和10ms，上面板对应的最大位移分别是3.64mm，2.13mm，2.07mm和2.66mm，下面板对应的最大位移分别是2.5mm，0.85mm，0.89mm和1.42mm，均出现在板的中央；上面板对应的最大应力分别是171mpa，120mpa，93.9mpa和92mpa，下面板对应的最大应力分别是137mpa，130mpa,107mpa和100mpa。

在初速度为20m/s的加载作用下，在四个时间点1ms，4ms，7ms和10ms，上面板对应的最大位移分别是7.24mm，6.17mm，7.47mm和7.92mm，下面板对应的最大位移分别是4.71mm，3.79mm，4.79mm和5.28mm，上面板对应的最大应力分别是118mpa，97.5mpa，73.4mpa和90.5mpa，下面板对应的最大应力分别是152mpa，152mpa,106mpa和110mpa。

在初速度为30m/s的加载作用下，在四个时间点1ms，4ms，7ms和10ms，上面板对应的最大位移分别是10.3mm，9.75mm，11.5mm和10.5mm，下面板对应的最大位移分别是6.83mm，6.77mm，8.39mm和8.24mm。上面板对应的最大应力分别是126mpa，105mpa，105mpa和89.3mpa，下面板对应的最大应力分别是184mpa，179mpa,111mpa和113mpa。

基于同样步骤建立加筋板模型并对其变形和应力变化状态进行模拟，用msc.patran软件进行处理后得到加筋板面板在初速度为10m/s加载作用下不同时间点的位移和应力数据；在四个时间点1ms，4ms，7ms和10ms，上面板对应的最大位移分别是10.1mm，5.33mm，5.64mm和5.73mm，上面板对应的最大应力分别是234mpa，133mpa，107mpa和110mpa。

在初速度为20m/s的加载作用下，在四个时间点1ms，4ms，7ms和10ms，上面板对应的最大位移分别是18.6mm，16.6mm，18.5mm和18.6mm，上面板对应的最大应力分别是235mpa，234mpa，166mpa和172mpa。

在初速度为30m/s的加载作用下，在四个时间点1ms，4ms，7ms和10ms，上面板对应的最大位移分别是26.9mm，38.5mm，40.8mm和39.8mm，上面板对应的最大应力分别是235mpa，217mpa，213mpa和207mpa。

由上述实验结果可得，点阵夹层板结构和加筋板在初速度为分别为10m/s、20m/s和30m/s的加载作用下面板中心节点的位移-时间曲线，如图15、图16、图17所示；同样也可以得到上面板、上面板相应的位移以及应力等数据，见表3、表4、表5，表中数据为对应初速度下时间节点为1ms、4ms、7ms、10ms的位移以及应力等数据：

表3初速度为10m/s的加载作用下不同时间点的位移和应力数据

表4初速度为20m/s的加载作用下不同时间点的位移和应力数据

表5初速度为30m/s的加载作用下不同时间点的位移和应力数据

通过对比数据可知，本发明的点阵夹层板结构与传统加筋板相比，具有如下优点：

(1)点阵夹层板结构和传统加筋板在动载荷作用下面板的最大位移均出现在板的中央，变形特点相近，但在同等载荷下，点阵夹层板结构的上下面板的变形/位移均远小于加筋板的位移/变，点阵夹层板结构的上下面板的最大应力均远小于加筋板的位移/变形。

(2)加筋板在承受20m/s和30m/s的初速度载荷时，板的应力已经超过材料的屈服极限，加筋板已经进入了塑性变形，但点阵夹层板结构的变形还保持在弹性范围内。因此，在抗冲击力学性能方面，点阵夹层板结构的性能要远远优于同等质量的加筋板。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。