一種泡沫材料半填充波紋雜交夾層板及其制備方法與流程

本發明涉及一種金屬-泡沫填充材料復合材料，具體涉及一種泡沫材料半填充波紋雜交夾層板及其制備方法。
背景技術：
：泡沫鋁和PVC泡沫等泡沫材料具有高孔隙率，是一種輕質高強材料，在爆炸沖擊載荷下有良好的緩沖吸能特性，但其橫向抗剪強度和承載能力較弱，不適合單獨作為承載結構。而鋼制波紋夾層板剛度和承載能力較高，但波紋芯層的支撐強度較低，芯層壁板容易發生側向失穩，不能充分發揮波紋夾層板的沖擊吸能效應。將泡沫材料填充至波紋夾層板芯層的孔隙中，形成雜交夾層板，能夠給芯層壁板提供側向支撐，提高芯層壁板的壓潰強度。這種雜交夾層板能將兩種材料的性能進行綜合互補，并實現結構的多功能化。目前的雜交夾層板通常為全填充，即在芯層的所有孔隙中塞滿泡沫填充材料。在進行防護結構的設計時，應該盡可能減小夾層板下面板的塑性變形。而在一定的爆炸沖擊載荷下，由于泡沫填充材料對上、下面板及波紋芯層的連續支撐，上面板獲得的速度和動能減小，通過泡沫填充材料傳遞到下面板的沖量增大，使下面板的速度和動能增大，導致下面板的塑性變形增大。最終上面板的吸能量減少，波紋芯層通過壓縮變形和塑性失穩吸收的能量減少，下面板的吸能量增加。同時，由于芯層所有的孔隙中均塞滿泡沫填充材料，當泡沫材料密度較大時，填充所帶來的重量增量較為明顯，且遠離中心區域的泡沫填充材料對結構的吸能貢獻不大，導致填充的增益有所下降。如何使泡沫材料和金屬材料二者優勢互補，提高雜交夾層板的防護性能，同時降低結構的重量，提高雜交夾層板的比吸能，是本發明要解決的問題。技術實現要素：本發明的目的在于解決波紋芯層壁板的側向支撐強度和壓潰強度低的缺點，提供一種泡沫材料半填充波紋雜交夾層板，增強芯層壁板的動力穩定性，提高夾層板的抗沖擊能力和比吸能。為解決上述技術問題，本發明提供了一種泡沫材料半填充波紋雜交夾層板，包括：上面板、波紋芯層、泡沫填充材料、以及下面板，波紋芯層位于上面板和下面板之間；泡沫填充材料制成柱狀，其橫截面形狀尺寸與波紋芯層的孔隙形狀尺寸相匹配；在波紋芯層靠近上面板一側的所有孔隙中均塞滿泡沫填充材料，或者在波紋芯層靠近下面板一側的所有孔隙中塞滿泡沫填充材料。進一步地，波紋芯層的孔隙為梯形棱柱狀；泡沫填充材料制成梯形棱柱狀，其橫截面形狀尺寸與波紋芯層的孔隙形狀尺寸相匹配。進一步地，上面板、下面板和波紋芯層的材料為304不銹鋼。進一步地，泡沫填充材料為泡沫鋁、PVC泡沫或聚氨酯泡沫。為了實現上述目的，本發明還提供了一種泡沫材料半填充波紋雜交夾層板的制備方法，包括以下步驟：(1)采用激光切割技術將金屬板材切割成上下面板；(2)采用模壓、折疊技術將金屬板材制成波紋芯層；(3)采用激光焊接技術將波紋芯層和上下面板連接起來，形成金屬夾層板；(4)將泡沫材料加工成棱柱形狀的泡沫填充材料，其橫截面形狀尺寸與波紋芯層中孔隙的空間形狀尺寸相匹配；(5)將泡沫填充材料插入金屬夾層板波紋芯層的孔隙中進行填充，將靠近上面板一側的孔隙全部塞滿，或者將靠近下面板一側的孔隙全部塞滿，形成半填充波紋雜交夾層板。進一步地，波紋芯層的孔隙為梯形棱柱狀，步驟(3)將上面板和下面板分別與波紋芯層兩側的孔隙梯形上底焊接。本發明具有的優點和積極效果是：泡沫填充材料一方面能通過自身的壓潰變形吸收沖擊能量，另一方面能提供支撐剛度的貢獻，其對波紋芯層壁板的側向支撐有利于提高芯層壁板的壓潰強度和動力失穩臨界載荷，使面板和波紋芯層的局部屈曲性能得以改善，能有效減小面板的塑性變形，兩種材料的耦合提高了夾層結構的抗沖擊性能。由于泡沫材料只填滿了波紋芯層一半的孔隙，由此帶來的重量增量并不明顯，提高了填充的增益和夾層結構的比吸能。同時，這種半填充波紋雜交夾層板結構形式簡單，易于制備且制備耗材較少。附圖說明圖1為波紋夾層板的結構示意圖；圖2為梯形棱柱狀泡沫填充材料的結構示意圖；圖3為靠上面板一側芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板的結構示意圖；圖4為靠下面板一側芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板的結構示意圖；圖5為半填充波紋雜交夾層板制備工藝流程圖。其中：1.上面板，2.波紋芯層，3.下面板，4.泡沫填充材料。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。如圖3和圖4所示是本發明半填充波紋雜交夾層板的結構示意圖，為了進一步了解本發明的內容和特點，下面結合附圖5及實施案例對本發明作進一步的詳細說明。實施案例1：1)首先，采用模壓、折疊技術將304不銹鋼板材制成波紋芯層，再用電火花線切割(EDM)方法切割成設計尺寸，面內尺寸長300mm，寬288mm，將304不銹鋼板材采用激光切割技術制成上、下面板，其面內尺寸長452mm，寬440mm，將制成的波紋芯層和面板清洗去除加工過程中殘留的油污，采用激光焊接技術連接起來，制成無填充的波紋夾層板；2)然后，根據波紋芯層孔隙的尺寸，將泡沫材料板材用切割機切割成與孔隙尺寸相匹配的梯形棱柱；3)最后，將梯形棱柱狀的泡沫材料填充到所有靠近上面板一側的波紋芯層孔隙中，得到半填充波紋雜交夾層板。實施案例2：1)首先，采用模壓、折疊技術將304不銹鋼板材制成波紋芯層，再用電火花線切割(EDM)方法切割成設計尺寸，面內尺寸長300mm，寬288mm，將304不銹鋼板材采用激光切割技術制成上、下面板，其面內尺寸長452mm，寬440mm，將制成的波紋芯層和面板清洗去除加工過程中殘留的油污，采用激光焊接技術連接起來，制成無填充的波紋夾層板；2)然后，根據波紋芯層孔隙的尺寸，將泡沫材料板材用切割機切割成與孔隙尺寸相匹配的梯形棱柱；3)最后，將梯形棱柱狀的泡沫材料填充到所有靠近下面板一側的波紋芯層孔隙中，得到半填充波紋雜交夾層板。采用下述實驗驗證本發明效果：試件編號TP-1和TP-2為全填充波紋雜交夾層板，由上面板、波紋芯層、泡沫填充材料和下面板構成，其中上面板厚度為1.38mm，芯層厚度為0.7mm，下面板厚度為1.38mm，材料均為304不銹鋼，泡沫填充材料密度為0.25g/cm3,材料為PVC泡沫材料。試件編號TP-3和TP-4為靠上面板一側芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板，由上面板、波紋芯層、泡沫填充材料和下面板構成，其中上面板厚度為1.38mm，芯層厚度為0.7mm，下面板厚度為1.38mm，材料均為304不銹鋼，泡沫填充材料密度為0.25g/cm3,材料為PVC泡沫材料。試件編號TP-5和TP-6為靠下面板一側芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板，由上面板、波紋芯層、泡沫填充材料和下面板構成，其中上面板厚度為1.38mm，芯層厚度為0.7mm，下面板厚度為1.38mm，材料均為304不銹鋼，泡沫填充材料密度為0.25g/cm3,材料為PVC泡沫材料。將本實驗中的試件進行空中爆炸實驗，其中編號為TP-1、TP-3和TP-5的試件爆炸距離為50mm，編號為TP-2、TP-4和TP-6的試件爆炸距離為100mm。實驗在海軍工程大學實驗中心的爆炸筒中完成，在爆炸實驗中直接采用TNT炸藥引爆后產生的高強度沖擊波進行加載。實驗中采用的TNT炸藥為圓柱體形狀，裝藥密度約為1.61g/cm3，爆速為6.95×103m/s，爆熱為6.74×106kJ/m3，裝藥重量為55g，對應直徑R＝35.0mm，高度h＝37.2mm。各夾層板的重量統計如表1所示。表1試件編號TP-1TP-2TP-3TP-4TP-5TP-6試件總重量/kg5.025.084.954.944.904.88實驗后夾層板上、下面板中心最大變形值以及結構總的吸能量如表2所示。表2試件編號TP-1TP-2TP-3TP-4TP-5TP-6上面板最大撓度/mm38.2422.5139.9925.93-28.22下面板最大撓度/mm30.9511.7029.4015.50-14.24結構總的吸能量/kJ2.361.362.361.392.381.65結構抗沖擊性能改善的兩個重要指標是結構最大變形極小化和能量吸收最大化。通過對夾層板中心凹陷深度的測量可獲得夾層板結構上下面板的變形情況，通過有限元計算可獲得結構總的吸能量，表2為試件各個面板變形值實測值以及各試件總吸能量的數值結果。當爆距為50mm時，試件TP-1和TP-3上下面板均產生塑性大變形，TP-5上下面板中心區域產生破口，而各試件總的吸能量基本一致，TP-3的結構總重量和下面板中心最大撓度值均小于TP-1，因此若以下面板中心最大撓度值為衡量標準，靠上面板一側芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板抗爆性能最好，相比較全填充波紋雜交夾層板塑性變形降低5％，同時重量還減輕1.4％。當爆距為100mm時，各試件上、下面板均產生塑性大變形，其中，TP-6結構總重量最小，而總的吸能量最多，結構單位質量的吸能比最大，因此若以結構的吸能比為衡量標準，靠下面板一側芯層孔隙填充的半填充波紋雜交夾層板抗爆性能最好，相比較全填充波紋雜交夾層板吸能量增加21.3％，并且重量減輕2.8％。綜上所述，由于泡沫填充材料的支撐，波紋芯層的側向失穩現象減少，芯層壁板的失穩波長減小，而泡沫填充材料主要產生壓縮大變形，吸收了較多的能量，證明了半填充波紋雜交夾層板有著良好的沖擊防護性能，可作為一種新型的防護結構發揮吸能作用。在實際應用中，建議根據具體的載荷工況和功能需求，選用合適的半填充雜交夾層板結構。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3