本发明涉及一种夹层板，属于中空板材加工
技术领域：
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背景技术：
：：在节能环保已经成为产品主要评价指标的今天，新型轻型结构的研究受到人们的重视。夹层夹芯板以其重量轻、刚度大、可设计性强等特点成为航空、航天、铁路、汽车、建筑等领域不可缺少的结构之一。而蜂窝板是一种典型的轻质高强及缓冲结构(gibsonlj，ashbymf.cellularsolid-structureandproperties(secondedition).cambridgeuniversitypress，1997；lirac，scarpaf，transverseshearstiffnessofthicknessgradienthoneycombs.compos.sci.technol2010；70：930-936；sungy，jiangh，fangjg，ligy，liq.crashworthinessofvertexbasedhierarchicalhoneycombsinout-of-planeimpact.materials&design2016；110：705-719)。因此针对其结构本身(fant，zougp，influencesofdefectsondynamiccrushingpropertiesoffunctionallygradedhoneycombstructures.journalofsandwichstructures&materials2014；17：295-307；wadsworthdj，horrigandpw，moltschaniwskyjg，collinsi，facesheet.wrinklingofdamagedhoneycombsandwichstructures，journalofsandwichstructures&materials2009；11：105-131)，以及在工程领域的应用(tangyf，lifh，xinfx，lutj2017.heterogeneouslyperforatedhoneycomb-corrugationhybridsandwichpanelassoundabsorber.materials&design2017；134：502-512；vitalejp，francuccig，stocchia.thermalconductivityofsandwichpanelsmadewithsyntheticandvegetablefibervacuum-infusedhoneycombcores.journalofsandwichstructures&materials2016；19：66-82)都进行了大量的研究。夹层板轻质高强的特点主要由于其中间芯层为结构。由于一开始制作成本较高，上世纪50年代起主要用于航空航天领域。后随着科技进步，工艺方法的改进逐渐应用到其他工业领域。制作夹层板的材料有纸质、复合材料、金属等。例如，一开始，由于单腔结构的方形和圆形管便宜且能够有效吸收能量，因而受到了广泛的研究(hous，liq，longs，etal.crashworthinessdesignforfoamfilledthin-wallstructures.materials&design，2009，30(6)：2024-2032；mirzaeim，shakerim，sadighim，etal.experimentalandanalyticalassessmentofaxialcrushingofcircularhybridtubesunderquasi-staticload.compositestructures，2012，94(6)：1959-1966；zhangx，wenz，zhangh.axialcrushingandoptimaldesignofsquaretubeswithgradedthickness.thin-walledstructures，2014，84(84)：263-274)。但随后，研究人员发现多腔蜂窝结构比单腔结构的吸能效率更高(najafia，rais-rohanim.mechanicsofaxialplasticcollapseinmulti-cell，multi-cornercrushtubes.thin-walledstructures，2011，49(1)：1-12；zhangx，zhangh.energyabsorptionofmulti-cellstubcolumnsunderaxialcompression.thin-walledstructures，2013，68(10)：156-163.)。zhou.h等人结合薄壁金属结构和铝蜂窝结构的特点，设计了耐撞性铁路车辆的吸能结构(zhou.h，xu.p，xie.sc.compositeenergy-absorbingstructurescombiningthin-walledmetalandhoneycombstructures.proceedingsoftheinstitutionofmechanicalengineerspartf.2017；231(4)：394-405)。ansari.z等人研究了基于纤维增强复合材料的方形蜂窝芯的压缩性能，确定了方形蜂窝结构的破坏强度和耗能能力，并比较了其破碎行为的实验结果和有限元模拟结果之间的差异(ansari.z，tan.cw，rejab.mrm，bachtiar.d，siregar.j，zuhri.mym，marzuki.nsdm.crushingbehaviourofcompositesquarehoneycombstructure：afiniteelementanalysis.journalofmechanicalengineeringandsciences.2017；11(2)：2637-2649)。但是几十年来，人们针对夹层芯结构，基本是单纯的夹层芯层结构，或者只是六边，方格等形状的变化，或尺寸大小的变化，而几乎没有对夹层芯的结构进行改进，从而导致其各项力学性能没有本质提高，没有紧跟现代科技的发展、开拓夹层板更大的应用潜力。技术实现要素：我们知道蜂窝板的创造与发明源自于仿生学，其生物原型为蜂窝，但严格地说蜂窝只是蜂窝板芯层结构的生物原型(chenjx，xiejzhuh，guansj，wug，noorimn，guosj.integratedhoneycombstructureofabeetleforewinganditsimitation.materialsscienceandengineeringc2012；32：613-618)。然而，本发明人的仿生研究表明，甲虫经过千万年的进化，其前翅为一种天然的轻质高强三明治夹层板结构，且甲虫前翅内部具有小柱-蜂窝芯层结构。然而根据独角仙前翅中小柱分布的情况可知(j.x.chen，q.q.n，y.endo，m.iwamoto，distributionoftrabeculaeandelytralsurfacestructuresofthehornedbeetle，allomyrinadichotoma(linné)(coleoptera：scarabaeidae).entomologiasinica，9(2002)55-61)，在每个蜂窝结构中不是所有的小柱都分布在蜂窝壁的交汇处，有约10％的小柱分布在蜂窝壁的中间。经发明人研究表明，在夹层板中，在蜂窝壁中间设置小柱结构可有效提高其抗压强度和耗能能力，并有其独特的抗压机制。因此本发明将为开发新型的轻质仿生夹层板结构提供新的方向。本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供了一种质量轻和强度高的多边形栅格夹层板及其制作方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多边形栅格夹层板，包括上面板、下面板以及中间的多边形格栅，其特征在于栅格壁设有加强柱，该加强柱为中空的圆筒结构。所述多边形格栅截面为六边形、四边形或者三角形；所述上面板和下面板为平面板或曲面板。加强柱的中心与格栅壁板中点重合；加强柱的半径是所述多边形格栅边长的0.05～0.25倍。所述的加强柱尺寸满足以下条件：η＝rt/l，且η＞0；其中，rt为加强柱外径，l为蜂窝单元尺寸，t为芯层壁厚(t＝1mm)，h为芯层高度，h为夹层板总高，当η＝0时为传统蜂窝板。在η＝0.15～0.2时，耗能能力达到最高。一种多边形栅格夹层板的制作方法，是在在蜂窝板芯层壁板需要设置加强柱的位置提前开设小窗，并标记插入点位置，留置用于固定加强柱的粘贴片，同时在加强柱的下端设置与插入点下方高度匹配的卡槽。加强柱为空心圆筒结构，是由两片带有粘贴片的半圆弧构成，在制作过程中，是由格栅壁粘贴段预留未粘贴长度，而后在张拉过程中撑开成型。由加强柱和多边形格栅组成的芯层结构与上下面板一体成型，可通过3d打印或液体浇筑等方式实现。本发明的多边形栅格夹层板，在格栅壁板中间位置设有空心加强柱结构，相比传统蜂窝板可明显提高其抗压强度及变形耗能能力，是一种轻质高强的材料，具有广阔的应用前景，可用于建材、交通、航空航天等领域。本发明在多边形格栅壁板中心设置空心加强柱，其主要起到以下作用：1、取代了原本格栅壁中间相对薄弱的部分，有效地减弱了格栅壁的变形；2、将格栅壁一分为二，在加强格栅壁约束的同时，缩短后的格栅壁本身也更加不易变形；3、对格栅壁交汇处的三角柱形成约束，增强其抵抗扭转变形的能力。所以，本发明的多边形栅格夹层板可有效提高传统蜂窝板的抗压能力和耗能水平，申请人对上述夹层板结构进行实验研究发现，该结构的抗压能力为传统蜂窝板的2倍以上，耗能能力则在3倍，甚至4倍以上。附图说明图1为本发明结构示意图。其中图1(a)为整体结构三维视图，图1(b)为芯层俯视图。图2为芯层为不同格栅形状时的结构示意图。其中(a、b)格栅为六边形，分别对应单个格栅内有6个以及2个圆筒的情况；图(c)格栅为四边形，图(d)格栅为三角形。作为示例，这里只列出了多边形格栅芯层每一片壁上均布置有圆筒的情形，因图(b)可直接对应现在的工艺，具有特殊性，因此又单独列出，其余的可根据工程实际需求设置数量和位置。图3为本发明实施例1的格栅为六边形的情况和传统蜂窝板模型和芯层结构尺寸。图4为压缩实验的应力-应变曲线(a)以及力学性能参数(b)。图5为卡扣-粘贴法制作示意图。图6为拼接式圆筒粘贴法制作示意图。图7为预留圆筒后成型法制作示意图。图中编号：1为下面板；2为加强柱；3为格栅壁；4为上面板；5为小窗；6为插入点；7为贴片；8为卡槽；9为半圆弧片；10为粘贴段，11为圆筒预留段。具体实施方式图1为本发明结构示意图，参照图1所示，一种多边形栅格夹层板，包括上面板4、下面板1以及中间的多边形格栅。参照图2所示，所述多边形格栅可以为六边形、四边形和三角形等。在上述部分或全部格栅壁板的中间位置，设置有以格栅壁板中点为中心的加强柱2，所述的加强柱为圆筒结构，加强柱的半径是所述多边形格栅边长的0.05～0.25倍。实施例1图3为本发明实施例1的格栅为六边形的情况和传统蜂窝板模型和芯层结构尺寸。本实施例的六边形格栅的每个栅格壁(图3b1，3)的中间位置均设有一个空心加强柱，如图3(b1，2)所示。其中l为蜂窝单元尺寸(两相邻格栅壁交汇处之间的距离，l＝16mm)，rt为加强柱外半径(下面简称半径)，t为芯层壁厚(t＝1mm)，h为芯层高度，h为夹层板总高，上下面板厚度均为2mm。本发明采用以加强柱外径(rt)为中心的无量纲指标：η＝rt/l，阐明了格栅壁中部设置加强柱结构的夹层板拥有更优的力学性能，并且进一步探究加强柱结构半径变化对该夹层板抗压强度和耗能能力的影响规律。采用η等于0(即为传统蜂窝板，图3c)，0.1，0.15，0.2及0.25的实验样号。实验样品均采用3d打印技术一体化成型。所有夹层板的性能采用平压试验测定，试验采用位移加载模式，平压试验装置为cmt5105电子万能材料试验机，加载速率为1mm/min。图4(a)给出了不同η(0，0.1，0.15，0.2及0.25)下本发明和传统蜂窝板的压缩应力-应变曲线；图4(b)则为其抗压强度和耗能能力与η＝0(即蜂窝板)时的比值pλ和eλ。由图4(a)可见，当η＝0.1时，本发明的抗压强度和耗能能力相对于传统蜂窝板(η＝0)增加非常明显，分别为传统蜂窝板的2.2倍和3.3倍(图4b)。而耗能能力则在η＝0.15时达到最高的4.5倍。即耗能能力在η＝0.15时继续大幅增加，当η＞0.15之后才出现缓慢下降的趋势。因此，无论当η为何值，只要格栅壁中间位置处的加强柱结构存在，本发明的抗压强度和变形耗能能力都显著高于传统蜂窝板。这是因为：1)加强柱布置在格栅壁产生最大变形的中央位置，起到了很好的防止格栅壁屈曲变形的作用；2)加强柱把格栅壁一分为二，分割后的格栅壁边长不到原来边长的一半，因此更不容易产生变形，且小柱还起到了约束格栅壁的作用；3)本发明中的加强柱分别在三边对三角柱(图3b3，圆圈)起到约束其扭转变形的作用。综上所述，本发明虽然只是在格栅壁的中部添加了小柱结构，但这一看似简单的创造性设计则使得夹层板的破坏形式、格栅壁本身的约束条件及其平面外屈曲变形都产生了变化，并进一步提升整体夹层板的各项力学性能，是一种重量更轻、强度更大、各项力学性能更好的夹层板结构。除了常规领域，更适用于航空航天、船舶或交通运输等对夹层板力学性能要求更高的领域。所以其应用范围极其广泛，是对夹层板结构的一次重大革新。现阶段传统蜂窝板的制作方法主要有张拉、粘贴和一体成型等几种方式。本发明夹层板结构的制作方法可在其基础上进行改进。本发明夹层板结构的制作方法，步骤如下：1)卡扣-粘贴法：根据加强柱的尺寸要求，在蜂窝片材相应位置开设小窗5并标记插入点6，预留贴片7。依据已有方法将蜂窝芯张拉成型后，将预留卡槽8的圆筒涂匀胶水，将贴片7拨向两侧，插入点6位置，同时使用贴片7与圆筒上半部分粘贴固定。2)拼接式圆筒粘贴法：根据圆筒的尺寸要求，在蜂窝片材相应位置开设宽度与圆筒直径相同的小窗，待蜂窝芯张拉成型后，将两个留有粘贴片的半圆筒8分别粘于小窗两侧。3)预留圆筒成型：针对目前制作金属蜂窝以及纸蜂窝的方法，在单一格栅内存在一对平行的两边是由两片材料粘贴而成，因此考虑在此过程中依据圆筒尺寸，在原来相互粘接的半圆弧片9中部，预留用于形成的圆筒的粘贴段10，在张拉过程中将其撑开。4)一体化成型：当利用塑料、树脂、金属等采用模塑、浇筑等方式成型时，芯层的制作，可直接采用圆筒和格栅一体化成型的方式，用于进一步提高结构的整体性以及各项力学性能，满足更高的要求。当前第1页12当前第1页12