全金属中空点阵‑蜂窝混杂夹芯结构及其嵌锁制备方法与流程

本发明涉及一种夹芯结构及其制备方法，具体涉及一种全金属中空点阵-蜂窝混杂夹芯结构及其嵌锁制备方法，适用于航空航天、船舶海洋、水下抗爆、交通建筑等领域。

背景技术：

近年来，越来越多的高性能吸能材料(结构)一直是研究焦点。而多孔结构兼具用于轻质和高效吸能等特点，因而被广泛地用作高性能吸能介质，它们通常被用作夹心梁的芯材来吸收来自外部的冲击能量和爆炸能量。多孔结构包括随机泡沫和周期性多孔结构，后者包含蜂窝与微尺度桁架点阵等结构材料。

蜂窝作为一种二维有序的超轻多孔结构，是当今世界制造技术最成熟，应用领域最广的轻质结构，其母材可以是聚合物、金属、陶瓷或复合材料等任何一种。他们是一种力学性能各向异性的材料，在垂直于面外的方向上通常具有很高的强度和刚度。由此可见，蜂窝不但具有轻质的优点而且力学性能优异。特别是对于铝蜂窝，学者们进行了大量的试验和理论研究，发现其在厚度方向上的压缩响应具有较长且波动很小的平台应力，是一种较为高效的吸能材料，在低相对密度区域尤为如此。但是在高相对密度区域蜂窝结构并不是最优的吸能结构。此外，对于蜂窝结构剪切性能的试验研究大多数局限于相对密度为8％以下的结构，而在更高相对密度芯子的剪切试验中均观察到了面芯脱粘这一灾难性的失效形式。

而作为未来可能代替蜂窝的点阵桁架材料，除了结构强度与蜂窝相当，其内部的高孔隙率更易于集成多功能特性。但是实心桁架点阵结构后屈曲残余强度较低，并不是良好的吸能材料。中空桁架点阵的出现弥补了这一不足，由于其具有较高的二次面积矩，可以明显缓解低密度桁架结构常见的后屈曲软化现象，使芯杆具有较高的后屈曲残余强度，因而具有优良的比吸能特性。而且中空桁架点阵易于进行多几何参数协同优化以实现结构承载能力最大化。

众所周知，在冲击载荷作用下，材料的强度是依赖冲击速率的，并且惯性稳定效应能提升结构的能力吸收能力。因此，获得基本的材料准静态吸能性能数据是十分必要的。而作为一种新型的拓扑结构，中空金字塔点阵桁架兼具轻质高强的结构特性和优异的能量吸收能力，越来越受到国内外研究人员的广泛关注。平压载荷作用下，中空金字塔点阵桁架结构的单位质量吸能能力明显高于其他的芯子结构。但是，中空金字塔点阵桁架结构的单位体积吸能能力与其他的芯子结构相当，其中在低冲击载荷作用下吸能效果逊于蜂窝结构。但在高冲击载荷作用下，相比于其他拓扑结构，中空金字塔点阵桁架结构的单位质量吸能和单位体积吸能能力都是最优的。同样，在剪切载荷作用下，中空金字塔点阵结构的吸能水平远高于开孔金属泡沫等多孔材料。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提升现有的金属蜂窝类夹芯结构抵抗面外压缩变形的残余强度并减少其波动性，从而增强原有蜂窝结构的吸能能力，填补ashby材料性能选择图中的空白；增强横向剪切时面芯界面连接强度，从而充分发挥高相对密度芯子的承载能力。进而提供一种全金属中空点阵-蜂窝混杂夹芯结构及其嵌锁制备方法。

本发明的技术方案是：一种全金属中空点阵-蜂窝混杂夹芯结构包括上面板和下面板，上面板和下面板上下平行设置，它还包括正方形蜂窝嵌锁组成片和多个带狭长槽口的倾斜圆管。

进一步地，正方形蜂窝嵌锁组成片包括多个第一锁片和多个第二锁片，多个第一锁片等间距平行设置，多个第二锁片等间距垂直并插接在多个第一锁片上。

进一步地，多个第一锁片的上部及多个第二锁片的下部均等间距开设插接嵌锁槽。

进一步地，多个第一锁片和多个第二锁片的上部位于其插接嵌锁槽的两侧均对称倾斜开设两个倾斜圆管嵌锁槽。

进一步地，带狭长槽口的倾斜圆管的下部开设栅格嵌锁槽。

进一步地，带狭长槽口的倾斜圆管向多个第一锁片和多个第二锁片的嵌锁插接交汇处所在直线成0°-60°的夹角方向进行嵌锁插接，形成完整的全金属中空金字塔型桁架点阵-正方形蜂窝混杂芯子。

进一步地，带狭长槽口的倾斜圆管的材质同第一锁片和第二锁片的相同。

更进一步地，圆管加筋蜂窝夹芯装置的嵌锁制备方法，包括以下嵌锁步骤：

步骤一：加工带狭长槽口的倾斜圆管、第一锁片和第二锁片：

在用于制备带有槽口的倾斜圆管的卡具工装上批量加工带狭长槽口的倾斜圆管；电火花线切割批量切割加工第一锁片和第二锁片。

步骤二：正方形蜂窝嵌锁组件的安装：

将多个第一锁片等间距平行设置，多个第二锁片等间距垂直并插接在多个第一锁片的插接嵌锁槽内，形成正方形蜂窝嵌锁组件，正方形蜂窝嵌锁组件的四个顶角处也通过多个第一锁片和多个第二锁片进行嵌锁；

步骤三：带狭长槽口的倾斜圆管嵌锁安装在正方形蜂窝嵌锁组件上，形成中空金字塔型桁架点阵-正方形蜂窝混杂芯子：

将步骤一中加工的带狭长槽口的倾斜圆管插接在多个第一锁片和多个第二锁片的插接嵌锁槽两侧的两个倾斜圆管嵌锁槽处；

步骤四：制备全金属中空金字塔型点阵-正方形蜂窝混杂夹芯结构：

将上面板和下面板分别接触并对齐覆盖步骤三的中空金字塔型桁架点阵-正方形蜂窝混杂芯子的上下两端，通过真空钎焊进行整体连接，至此，完成全金属中空金字塔型点阵-正方形蜂窝混杂夹芯结构的制备。

进一步地，步骤一中的用于制备带有狭长槽口的倾斜圆管的卡具工装包括角度定位模、夹具本体、两个单向波纹块体、多个双向波纹块体和多个限位螺钉，角度定位模的一端为倾斜端面，夹具本体为矩形框体，夹具本体安装在角度定位模的倾斜端面上，两个单向波纹块体相对布置在矩形框体内，多个双向波纹块体安装在两个单向波纹块体之间，多个待加工圆管夹持在相邻两个多个双向波纹块体之间以及夹持在一个单向波纹块体与一个单向波纹块体相邻的一个双向波纹块体之间，多个限位螺钉顶压限位并将两个单向波纹块体和多个双向波纹块体的上端面对齐压紧并通过侧向限位将多个待加工圆管分列固定。

进一步地，步骤三中的带狭长槽口的倾斜圆管与多个第一锁片和多个第二锁片的嵌锁插接交汇处所在直线成0°-60°的夹角方向进行嵌锁插接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：运用一种巧妙的“板条-板条”与“圆管与板条”的联合嵌锁组装方法，通过结构混杂的方式，寻找到了一种兼具高强度和优异的吸能特性的高性能新型多孔金属材料，填补了ashby材料性能选择图中的空白，为高速冲击防护应用提供了一种可靠的轻质结构。此外，该结构具有较强的面芯界面连接强度，可以充分发挥高相对密度芯子的承载能力，拓展了金属蜂窝材料的应用范围。

一、本发明的装置具有以下技术效果：

1、本发明采用中空金字塔型桁架点阵与正方形蜂窝混杂的方式，寻找到了一种兼具高强度和优异的吸能特性的高性能新型多孔金属材料，填补了ashby材料性能选择图中的空白，为高速冲击防护应用提供了一种可靠的轻质结构。

2、本发明由于采用了中空金字塔型桁架点阵-正方形蜂窝混杂芯子，圆管端部截面增大了原有蜂窝的面芯界面面积，从而有效地提高了面芯连接强度，在所进行的横向剪切试验中均未观察到面芯脱焊现象，从根本上提升了该类结构的抗剪切强度。

3、本发明该类芯材具有优异的综合力学性能，强度与吸能效果均超过了单一的正方形蜂窝结构与单一中空金字塔型点阵结构性能之和。

4、本发明在中空金字塔型桁架点阵-正方形蜂窝混杂芯子的正方形蜂窝嵌锁组件的四个顶角处也通过多个第一锁片4和多个第二锁片5进行嵌锁，实现了边界加固的作用，消除了四个角的边界效应，提高结构的综合力学性能。

5、本发明尤其适用于水下爆炸、汽车防撞击等高冲击载荷吸能防护领域。

二、本发明的方法具有以下技术效果：

1、本发明运用一种巧妙的“板条-板条”与“圆管与板条”的联合嵌锁方法进行结构组装，通过真空钎焊对该混杂芯材或者带有该芯材的夹芯板结构进行一体连接。制备工艺简单，成本低廉，焊接件几何缺陷少。

2、本发明的方法仅适用于制备金属类的圆管-蜂窝混杂结构，尤其适用于不锈钢、铝合金或钛合金等具有成熟连接工艺的主流合金。

3、本发明的方法可重复性好、技术稳定，适合该类结构几何优化后的试验验证。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是图1的主视图；图3是图1的俯视图；图4是去掉上面板和下面板后安装的整体结构示意图；图5是图4安装后的整体示意图；图6是图5去掉圆管后的结构示意图；图7是带有五个插接嵌锁槽和两对倾斜圆管嵌锁槽的第二锁片的结构示意图；图8是带有三个插接嵌锁槽和一对倾斜圆管嵌锁槽的第一锁片的结构示意图；图9是带有五个插接嵌锁槽和两对倾斜圆管嵌锁槽的第一锁片的结构示意图；图10是带有一个插接嵌锁槽的第二锁片的结构示意图，安装在四角位置处；图11是带有三个插接嵌锁槽和一对倾斜圆管嵌锁槽的第二锁片的结构示意图；图12是带狭长槽口的倾斜圆管结构示意图；图13是图12的俯视图；图14是图13在c-c处的剖视图；图15是图12的左视图；图16是用于制备带有槽口的倾斜圆管的卡具工装的整体结构示意图；图17是图16的主视图；图18是图16的俯视图；图19是图16的左视图；图20是角度定位模的轴测图；图21是图20的主视图；图22是图21沿d-d处的剖视图；图23是夹具本体的轴测图；图24是单向波纹块体的轴测图；图25是双向波纹块体的轴测图；图26是定角度压块的轴测图；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图15说明本实施方式，本实施方式的一种全金属中空金字塔型点阵-正方形蜂窝混杂夹芯板装置包括上面板1和下面板2，上面板1和下面板2上下平行设置，它还包括正方形蜂窝嵌锁组件和多个带狭长槽口的倾斜圆管3，正方形蜂窝嵌锁组件安装在上面板1和下面板2之间，多个带狭长槽口的倾斜圆管3斜插嵌锁在正方形蜂窝嵌锁组件的倾斜圆管嵌锁槽处。

本发明的切割-嵌锁制备工艺在保留完整的正方形蜂窝结构基础上，通过对圆管进行切槽加工，巧妙地将中空金字塔型点阵结构与正方形蜂窝结构揉合在一起，形成一种新型的混杂结构形式——中空金字塔型桁架点阵-正方形蜂窝混杂结构，而其相应的夹芯结构则称之为全金属中空金字塔型点阵-正方形蜂窝混杂夹芯结构。

具体实施方式二：结合图1至图11说明本实施方式，本实施方式的正方形蜂窝嵌锁组件包括多个第一锁片4和多个第二锁片5，多个第一锁片4等间距平行设置，多个第二锁片5等间距平行设置并逐一嵌锁插接在多个第一锁片4上。如此设置，便于形成正方形蜂窝嵌锁组件，装配流程简单。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图11说明本实施方式，本实施方式的多个第一锁片4的上部及多个第二锁片5的下部均等间距开设插接嵌锁槽6。如此设置，便于多个第一锁片4和多个第二锁片5相互嵌锁插接，而且安装定位准确。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1至图11说明本实施方式，本实施方式的多个第一锁片4和多个第二锁片5的上部位于其插接嵌锁槽6的两侧均对称倾斜开设两个倾斜圆管嵌锁槽7。如此设置，方便插装多个带狭长槽口的倾斜圆管3。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1至图6和图12说明本实施方式，本实施方式的带狭长槽口的倾斜圆管3的下部开设蜂窝板条嵌锁槽8。如此设置，便于带狭长槽口的倾斜圆管3通过第一锁片4和第二锁片5上的倾斜圆管嵌锁槽7逐一插接连接至多个第一锁片4和多个第二锁片5上。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式的带狭长槽口的倾斜圆管3与多个第一锁片4和多个第二锁片5的嵌锁插接交汇处所在直线成0°-60°的夹角方向进行嵌锁插接，形成完整的全金属中空金字塔型桁架点阵-正方形蜂窝混杂芯子。如此设置，实际使用时，带狭长槽口的倾斜圆管3的倾斜角度通常设置为45°，使芯子的剪切强度最优。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式的带狭长槽口的倾斜圆管3的材质同第一锁片4和第二锁片5的相同。

具体实施方式八：结合图1至图15说明本实施方式，本实施方式的全金属中空点阵-蜂窝混杂夹芯结构的嵌锁制备方法，包括以下制备流程：

步骤一：加工带狭长槽口的倾斜圆管3、第一锁片4和第二锁片5：

在用于制备带有槽口的倾斜圆管的卡具工装上批量加工带狭长槽口的倾斜圆管3；电火花线切割批量切割加工第一锁片4和第二锁片5。

步骤二：正方形蜂窝嵌锁组件的安装：

将多个第一锁片4等间距平行设置，多个第二锁片5等间距平行设置并通过插接嵌锁槽6逐一嵌锁插接在多个第一锁片4上，形成正方形蜂窝嵌锁组件，正方形蜂窝嵌锁组件的四个顶角处也通过两个第一锁片4和两个第二锁片5进行嵌锁。

步骤三：将带狭长槽口的倾斜圆管3嵌锁安装在正方形蜂窝嵌锁组件上，形成中空金字塔型桁架点阵-正方形蜂窝混杂芯子：

将步骤一中加工的带狭长槽口的倾斜圆管3逐一插接在多个第一锁片4和多个第二锁片5的插接嵌锁槽6两侧的两个倾斜圆管嵌锁槽7处。

步骤四：制备全金属中空金字塔型点阵-正方形蜂窝混杂夹芯结构：

将上面板1和下面板2分别接触并对齐覆盖步骤三的中空金字塔型桁架点阵-正方形蜂窝混杂芯子的上下两端，通过真空钎焊进行整体连接，至此，完成全金属中空金字塔型点阵-正方形蜂窝混杂夹芯结构的制备。

具体实施方式九：结合图16至图26说明本实施方式，本实施方式使用一种全金属中空点阵-蜂窝混杂夹芯结构的嵌锁制备方法，步骤一中的用于制备带有狭长槽口倾斜圆管的卡具工装包括角度定位模a-1、夹具本体a-2、两个单向波纹块体a-3、多个双向波纹块体a-4和多个限位螺钉a-5，角度定位模a-1的一端为倾斜端面，夹具本体a-2为矩形框体，夹具本体a-2安装在角度定位模a-1的倾斜端面上，两个单向波纹块体a-3相对布置在矩形框体内，多个双向波纹块体a-4安装在两个单向波纹块体a-3之间，多个待加工圆管夹持在相邻两个多个双向波纹块体a-4之间以及夹持在一个单向波纹块体a-3与一个单向波纹块体a-3相邻的一个双向波纹块体a-4之间，多个限位螺钉a-5顶压限位并将两个单向波纹块体a-3和多个双向波纹块体a-4的上端面对齐压紧并通过侧向限位将多个待加工圆管分列固定。

本实施方式适合加工任意角度、多种开槽方式的倾斜圆管；能够批量切割加工，并严格保证加工精度(圆管的倾斜度，槽口位置的居中性以及开槽深度等)；本实施方式所制备的零部件(带槽空管)还可以用来嵌锁组装制备中空点阵桁架多孔结构，例如中空金字塔型点阵桁架夹芯结构。

本实施方式的多个待加工圆管安装在卡具工装上后，形成矩形阵列排布，每一列中的待加工圆管直径相同。加工适用范围广。

本发明将多个待加工圆管夹持在单向波纹块体a-3和多个双向波纹块体a-4上，待加工圆管在单向波纹块体a-3上的单向凹槽和多个双向波纹块体a-4上的双向凹槽之间，实现了四线定位，四线定位的夹持方式能够有效保证待加工圆管在加工过程中牢固地装卡，切割过程中待加工圆管不会发生串动，从而保证了待加工圆管的精度，以及所有待加工圆管圆心槽口的居中度。

本发明的卡具工装通用性、互换性好。具体地，本申请在实际使用过程中可根据目标圆管零件的倾斜角度，选择合适的角度定位模a-1即可，其他构件无需进行变更，适用于电火花线切割或激光切割等特种加工方法。

本发明的卡具结构简单，每次装卡后，能够实现批量的生产加工，单次生产加工的零件数量可达数百件，并且每个批次的零件互换性极好。

具体实施方式十：结合图16至图19和图23说明本实施方式，本实施方式还包括定角度压块a-7，定角度压块a-7安装在夹具本体a-2内，且定角度压块a-7放置于两个单向波纹块体a-3和多个双向波纹块体a-4的上端面，多个限位螺钉a-5通过定角度压块a-7将两个单向波纹块体a-3和多个双向波纹块体a-4的上下底面对齐压紧。如此设置，便于为两个单向波纹块体a-3和多个双向波纹块体a-4的上下底面对齐压紧提供一个统一的顶块，严格地保证了目标圆管零件倾斜角度的精度与一致性。其它组成和连接关系与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：结合图16至图19说明本实施方式，本实施方式还包括侧向限位块a-8，侧向限位块a-8同样安装在夹具本体a-2内，且侧向限位块a-8贴附于右侧靠外的单向波纹块体a-3的外侧面上，多个限位螺钉a-5通过侧向限位块a-8将该单向波纹块体a-3的外侧面轻微顶紧，由此可将夹具本体a-2中的每一列待加工圆管分列固定。如此设置，在实际使用时，不但通过配合定角度压块a-7实现了对待加工圆管的精确四线定位，而且有效地避免了待加工圆管在装卡夹持过程中可能发生的塑性变形。其它组成和连接关系与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：结合图16至图20说明本实施方式，本实施方式的角度定位模a-1的倾斜端面与水平面之间的夹角为30°-90°不等。如此设置，便于根据产品需求生产加工出不同倾斜角度的圆管零件。其它组成和连接关系与具体实施方式十一相同。

本实施方式的角度定位模a-1的倾斜端面与水平面之间的夹角为45°，使芯子的剪切强度达到最优。

具体实施方式十三：结合图16、图21至图23说明本实施方式，本实施方式的角度定位模a-1的倾斜端面下端设有限位台a-9。如此设置，夹具本体2通过螺栓安装在的角度定位模1上，限位台9对夹具本体2提供了一个支撑，便于夹具本体2的安装定位更加准确。其它组成和连接关系与具体实施方式十二相同。

具体实施方式十四：结合图16至图19和图25说明本实施方式，本实施方式的单向波纹块体a-3的上端面等间距设有多个单向凹槽a-10。如此设置，便于与相邻的双向波纹块体相配合，对待加工圆管进行夹持。其它组成和连接关系与具体实施方式十三相同。

具体实施方式十五：结合图16至图19和图26说明本实施方式，本实施方式的双向波纹块体a-4的两个端面均等间距设有多个双向凹槽a-11。如此设置，便于与相邻的单向波纹块体a-3或双向波纹块体a-4相配合，对待加工圆管进行夹持。其它组成和连接关系与具体实施方式十四相同。

具体实施方式十六：结合图25和图26说明本实施方式，本实施方式的多个单向凹槽a-10和多个双向凹槽a-11的凹槽尺寸相同。如此设置，便于对待加工圆管进行夹持。其它组成和连接关系与具体实施方式十五相同。

具体实施方式十七：结合图20说明本实施方式，本实施方式的侧向限位块a-8的高度略低于单向波纹块体a-3和双向波纹块体a-4的高度。如此设置，便于为待加工圆管的侧面提供支撑，且不与定角度压块a-7发生位置干涉。其它组成和连接关系与具体实施方式十六相同。

具体实施方式十八：结合图16说明本实施方式，本实施方式的夹具本体a-2可拆卸安装在角度定位模a-1的倾斜端面上。如此设置，便于批量成组加工且可根据生产需要加工出不同倾斜角度的圆管，适用范围广、通用性强。其它组成和连接关系与具体实施方式十七相同。

具体实施方式十九：结合图16说明本实施方式，本实施方式的步骤三中的多个带狭长槽口的倾斜圆管3逐一插接在多个第一锁片4和多个第二锁片5的插接嵌锁槽6两侧的两个倾斜圆管嵌锁槽7处。实际使用时，带狭长槽口的倾斜圆管3的倾斜角度设置为45°，芯子的剪切强度达到最优。其它组成和连接关系与具体实施方式十八相同。