一种中空金字塔型点阵夹芯板及其嵌锁制备方法与流程

本发明涉及一种中空金字塔型点阵夹芯板及其制备方法，属于航天航空技术领域。

背景技术：

当今对节能减排的推广和要求越来越高，节能减排的目的已渗透到很多行业中，其中轻质高强金属夹层结构已被广泛地设计、制造和应用于对重量敏感的应用中，该类结构由薄而刚硬的面板和低密度芯体两部分组成。以金字塔型点阵结构为代表微点阵桁架是当今的研究热点，并且其开放的内部空间易于集成多功能特性。特别地，桁架的中空化可以显著地提高实心杆件抗弹性或非弹性屈曲的能力，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，并且具有更优的比吸能特性。过去的十年里关于金属点阵桁架材料的研究主要集中在实心桁架点阵方面。而现有的关于中空桁架点阵的力学试验数据极少，这主要是因为相应的制备技术稀缺并且方法复杂，现有制备中空金字塔型点阵夹芯板的方法迄今为止也只有两种，分别为圆管线组装结点折叠法以及插管法。前者热处理流程复杂并且芯杆与结点处的均存在大量的形貌缺陷，严重影响了结构的综合力学性能；而后者相较于前者显著提升了结构的综合力学性能，但钎焊流程繁琐且焊料用量大，增加了制备成本，此外，该方法要求较高的精密加工方法，零部件组装时需要精密配合且面板重，无法形成大尺寸多单胞的夹芯结构。因此现有的制备方法严重制约了中空金字塔型点阵夹芯板的发展和产业化应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种中空金字塔型点阵夹芯板及其嵌锁制备方法，以解决现有的中空金字塔型点阵夹芯板的制备步骤繁琐且成本较高，零部件组装时需要精密配合且面板重，无法形成大尺寸多单胞的夹芯结构的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种中空金字塔型点阵夹芯板，它包括上面板、下面板和芯子，所述上面板和下面板从上至下依次水平并列设置，所述芯子设置在上面板和下面板之间，所述芯子包括多个单胞，每个单胞包括x形连接片的外露段、两个第一带狭槽圆柱管体和两个第二带狭槽圆柱管体，两个第一带狭槽圆柱管体和两个第二带狭槽圆柱管体交替设置在x形连接片的下方，每个第一带狭槽圆柱管体的上端与x形连接片的外露段相嵌锁且该个第一带狭槽圆柱管体上端与上面板相贴紧，每个第二带狭槽圆柱管体的上端与x形连接片的外露段相嵌锁且该个第二带狭槽圆柱管体的上端与上面板相贴紧；

x形连接片包括上组成片和下组成片，上组成片的底部加工有一个第一竖直插缝和两个第一连接槽口，两个第一连接槽口对称排列于第一竖直插缝的两侧，每个第一连接槽口处对应连接有一个第一带狭槽圆柱管体，每个第一带狭槽圆柱管体的下端面与下面板相接触；下组成片的顶部加工有与第一竖直插缝相配合的第二竖直插缝，下组成片的底部加工有两个第二连接槽口，两个第二连接槽口对称排列于第二竖直插缝的两侧，每个第二连接槽口处对应连接有一个第二带狭槽圆柱管体，每个第二带狭槽圆柱管体的下端面与下面板相接触。

一种中空金字塔型点阵夹芯板，进一步优选方案为：上组成片通过第一竖直插缝与下组成片的第二竖直插缝嵌锁连接。

一种中空金字塔型点阵夹芯板，进一步优选方案为：第一带狭槽圆柱管体的结构和第二带狭槽圆柱管体的结构相同，每个第一带狭槽圆柱管体的顶部与第一连接槽口嵌锁连接，每个第一带狭槽圆柱管体倾斜设置在上面板和下面板之间；每个第二带狭槽圆柱管体的顶部与第二连接槽口嵌锁连接，每个第二带狭槽圆柱管体倾斜设置在上面板和下面板之间。

一种中空金字塔型点阵夹芯板的嵌锁制备方法，它是按照以下步骤实现：

步骤一：制作上面板和下面板：将原始板料按规定的尺寸分别裁剪出上面板和下面板，在上面板上通过激光切割加工有多个x形通槽；

步骤二：拼装x形连接片：将预先加工完毕的多个上组成片和多个下组成片分别进行狭槽嵌锁，每个上组成片与其对应的下组成片相嵌锁形成一个x形连接片；

步骤三：拼接中空芯杆：首先将步骤一中加工完毕的带有多个x形通槽的上面板水平设置，然后将步骤二中拼装完毕的多个x形连接片的内置段逐一插入上面板的多个x形通槽中，使每个x形连接片中的两个第一连接豁口和两个第二连接豁口均朝上设置，将每个第一带狭槽圆柱管体带有卡槽的一端与其对应的第一连接豁口相卡接，将每个第二带狭槽圆柱管体与其对应的第二连接豁口相卡接，从而形成多个单胞；

步骤四：焊接工作：将下面板扣合在多个单胞的底部，确保每个第一带狭槽圆柱管体和每个第二带狭槽圆柱管体均与下面板相贴紧，对上述整个装配结构的连接部位进行一次焊接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中的中空金字塔型点阵夹芯板结构设计简单且布置合理，通过样品试验得到，本发明的结构兼具优异的抗面外压缩强度和抗横向剪切强度，并且强于现有的具有相近密度的其他多孔金属。

2、本发明中的中空金字塔型点阵夹芯板结构优于其它相竞争的多孔金属结构，并且具有优良的比吸能特性。

3、本发明中的中空金字塔型点阵夹芯板结构中的x形连接片能够在杆件中空强化的基础上进一步增强整体芯子的强度与吸能能力。

4、本发明中的中空金字塔型点阵夹芯板结构的面芯连接强度高，有效避免面芯脱焊失效的问题发生，增强使用过程中的稳定性和安全性。

5、本发明中的制备方法使得中空金字塔型点阵夹芯板结构具有极强的可设计性，上面板和下面板可根据结构服役工况进行结构优化，灵活性强。在保持面板质量不变的前提下，将单一的实心面板设计成加筋面板，能够有效提升面板的承载能力。

6、本发明中的制备方法只包括一次焊接流程，有效简化了制备步骤以及焊接的大量工作量，节省人力和时间。

7、本发明中的制备方法装配流程简单，有效地解除了配合公差积累过大无法装配的问题，适于制备多胞元、大尺寸中空点阵桁架夹芯结构，适用于船舶及其他需要大面积夹芯板的领域中。本发明适用范围广泛且适于推广。

附图说明

图1是本发明的装配过程示意图；

图2是本发明的主视结构示意图；

图3是图2中a-a处的剖面结构示意图；

图4是上面板1的立体结构示意图；

图5是下面板2的立体结构示意图；

图6是本发明的立体结构示意图；

图7是单胞3的立体结构示意图；

图8是第一圆柱管体7的立体结构示意图；

图9是x形连接片4的立体结构示意图；

图10是x形连接片4的装配过程示意图；

图11是上组成片5的主视结构示意图；

图12是上组成片5的立体结构示意图；

图13是下组成片6的主视结构示意图；

图14是下组成片6的立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图14说明本实施方式，本实施方式包括上面板1、下面板2和芯子，所述上面板1和下面板2从上至下依次水平并列设置，所述芯子设置在上面板1和下面板2之间，其特征在于：所述芯子包括多个单胞3，每个单胞3包括x形连接片4的外露段4-1、两个第一带狭槽圆柱管体7和两个第二带狭槽圆柱管体8，两个第一带狭槽圆柱管体7和两个第二带狭槽圆柱管体8交替设置在x形连接片4的下方，每个第一带狭槽圆柱管体7的上端与x形连接片4的外露段4-1相嵌锁且该个第一带狭槽圆柱管体7的上端与上面板1相贴紧，每个第二带狭槽圆柱管体8的上端与x形连接片4的外露段4-1相嵌锁且该个第二带狭槽圆柱管体8的上端与上面板1相贴紧；

x形连接片4包括上组成片5和下组成片6，上组成片5的底部加工有一个第一竖直插缝5-1和两个第一连接槽口5-2，两个第一连接槽口5-2对称排列于第一竖直插缝5-1的两侧，每个第一连接槽口5-2处对应连接有一个第一带狭槽圆柱管体7，每个第一带狭槽圆柱管体7的下端面与下面板2相接触；下组成片6的顶部加工有与第一竖直插缝5-1相配合的第二竖直插缝6-1，下组成片6的底部加工有两个第二连接槽口6-2，两个第二连接槽口6-2对称排列于第二竖直插缝6-1的两侧，每个第二连接槽口6-2处对应连接有一个第二带狭槽圆柱管体8，每个第二带狭槽圆柱管体8的下端面与下面板2相接触。

本发明中每个第一带狭槽圆柱管体7的上、下端面分别与上面板1和下面板2通过激光焊接、真空钎焊或扩散焊接方式相连接。同理于第二带狭槽圆柱管体8的上、下端面与上面板1和下面板2的连接方式。

本发明中x形连接片4包括外露段4-1和面板段4-2两部分，外露段4-1和面板段4-2固定连接制为一体，外露段4-1指的是x形连接片4中外露在上面板1和下面板2之间的部分，面板段4-2指的是x形连接片4插入上面板1层内部，并与上面板1连为一体的部分。上面板1与x形连接片4面板段4-2经连接工艺形成与下面板2相同的实心面板。

具体实施方式二：结合图9至图14说明本实施方式，本实施方式中上组成片5通过第一竖直插缝5-1与下组成片6的第二竖直插缝6-1嵌锁连接。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图9至图14说明本实施方式，本实施方式中第一带狭槽圆柱管体7的结构和第二带狭槽圆柱管体8的结构相同，每个第一带狭槽圆柱管体7的顶部与第一连接槽口5-2嵌锁连接，每个第一带狭槽圆柱管体7倾斜设置在上面板1和下面板2之间；每个第二带狭槽圆柱管体8的顶部与第二连接槽口6-2嵌锁连接，每个第二带狭槽圆柱管体8倾斜设置在上面板1和下面板2之间。

本实施方式中第一带狭槽圆柱管体7的结构和第二带狭槽圆柱管体8的倾斜角度可根据静强度或吸能的需求，通过理论计算或者有限元模拟优化该角度，使芯子获得更优的综合力学性能。其它未提及的结构及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、图2、图3、图6、图7和图8说明本实施方式，本实施方式中每个第一带狭槽圆柱管体7的上端加工有两个卡槽7-1，两个卡槽7-1处于同一直线上，两个卡槽7-1分别与第一连接豁口5-2嵌锁连接。

本实施方式中第一带狭槽圆柱管体7与上组成片5之间相卡接的连接方式，有效地缩短了第一带狭槽圆柱管体7的有效长度，更加有利于增强整体芯子的强度与吸能能力。同理于第二带狭槽圆柱管体8与下组成片6之间的连接方式。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图2和图6说明本实施方式，本实施方式中第一带狭槽圆柱管体7与下面板2之间的夹角的取值范围为1°至90°。其它未提及的结构及连接关系与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：结合图1、图4和图6说明本实施方式，本实施方式中上面板1上加工有与x形连接片4的内置段4-2一一对应的x形通槽9，每个x形连接片4的内置段4-2依次插入x形通槽9中，每个x形连接片4的内置段4-2设置在上面板1的内部空隙中。

本实施方式中每个x形连接片4的内置段4-2完全填充在上面板1的内部空隙中。

本实施方式中x形通槽9的设计是为了与x形连接片4的面板段4-2部分相配合。其它未提及的结构及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14说明本实施方式，本实施方式是按照以下步骤实现：

步骤一：制作上面板1和下面板2：将原始板料按规定的尺寸分别裁剪出上面板1和下面板2，在上面板1上通过激光切割加工有多个x形通槽9；

步骤二：拼装x形连接片4：将预先加工完毕的多个上组成片5和多个下组成片6分别进行狭槽嵌锁，每个上组成片5与其对应的下组成片6相嵌锁形成一个x形连接片4；

步骤三：拼接中空芯杆：首先将步骤一中加工完毕的带有多个x形通槽9的上面板1水平设置，然后将步骤二中拼装完毕的多个x形连接片4的面板段4-2逐一插入上面板1的多个x形通槽9中，使每个x形连接片4中的两个第一连接豁口5-2和两个第二连接豁口6-2均朝上设置，将每个第一带狭槽圆柱管体7带有卡槽7-1的一端与其对应的第一连接豁口5-2相卡接，将每个第二带狭槽圆柱管体8与其对应的第二连接豁口6-2相卡接，从而形成多个单胞3；

步骤四：焊接工作：将下面板2扣合在多个单胞3的底部，确保每个第一带狭槽圆柱管体7和每个第二带狭槽圆柱管体8均与下面板2相贴紧，对上述整个装配结构的连接部位进行一次焊接。

本发明中的制备方法步骤简化且操作简单，利用上面板1、芯子和下面板2之间位置顺序倒置的方式进行装配，有效降低制备过程中的操作难度，节省了大量的焊接工作量。