阅读说明：本技术 一种多胞管增强泡沫铝结构及其制造工艺 (Multi-cell-tube reinforced foamed aluminum structure and manufacturing process thereof ) 是由 张钱城 黄磊 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多胞管增强泡沫铝结构及其制造工艺,多胞管增强泡沫铝结构从外到内设置有中心通孔圆筒泡沫铝,十字加筋多胞圆管和四分之一圆柱体泡沫铝；制备方法是先采用电火花加工技术将孔隙率70％～90％的闭孔泡沫铝板切割成中心通孔圆筒泡沫铝和四块四分之一柱体泡沫铝,再采用挤压成型工艺制备十字加筋多胞圆管,将制得的中心通孔圆筒泡沫铝、十字加筋多胞圆管、四块四分之一柱体泡沫铝进行超声清洗后烘干备用,最后从外至内采用环氧树脂将中心通孔圆筒泡沫铝、十字加筋多胞圆管和四块四分之一圆柱体泡沫铝胶接制成多胞管增强泡沫铝结构。具有吸能性能高,又不失独立承载能力,在对承载和吸能有着迫切需求的民用和军用领域具有广阔的市场前景。(The invention discloses a multi-cell tube reinforced foamed aluminum structure and a manufacturing process thereof, wherein the multi-cell tube reinforced foamed aluminum structure is provided with a cylindrical foamed aluminum with a central through hole, a cross-shaped reinforced multi-cell tube and a quarter cylinder foamed aluminum from outside to inside; the preparation method comprises the steps of firstly cutting a closed-cell aluminum foam plate with the porosity of 70% -90% into a central through-hole cylindrical aluminum foam and four quarter-cylinder aluminum foam by adopting an electric spark machining technology, then preparing a cross-shaped reinforced multi-cell circular tube by adopting an extrusion forming process, ultrasonically cleaning the prepared central through-hole cylindrical aluminum foam, the cross-shaped reinforced multi-cell circular tube and the four quarter-cylinder aluminum foam, drying for later use, and finally, gluing the central through-hole cylindrical aluminum foam, the cross-shaped reinforced multi-cell circular tube and the four quarter-cylinder aluminum foam by adopting epoxy resin from outside to inside to prepare the multi-cell tube reinforced aluminum foam structure. The energy absorption material has high energy absorption performance, does not lose independent bearing capacity, and has wide market prospect in the civil and military fields with urgent requirements on bearing and energy absorption.)

一种多胞管增强泡沫铝结构及其制造工艺

技术领域

本发明属于抗冲击及吸能结构技术领域，具体涉及一种多胞管增强泡沫铝结构及其制造工艺。

背景技术

泡沫铝作为结构功能一体化的代表，由于具有优异的力学、声学和隔热性能，尤其是优异的吸能性能(其压缩应力-应变曲线包含一个很长的平稳段)，近年来被逐步应用在航空航天、轨道交通等各个领域。但泡沫铝由于其本身高孔隙率和不可避免的加工缺陷，导致其强度低，在单独使用时可承受载荷小，易失稳坍塌，因此限制了其作为承载结构的工程应用。同时，薄壁单胞管作为一种传统的吸能减震材料，虽然具有轴向承载力高，行程利用率长等优点，但其吸能效率不高。

多胞管是一种将薄壁管截面多胞化的结构，其具有截面折角数高，变形稳定的优点，且研究表明，多胞管能量吸收性能显著优于同截面下的单胞管。因此将多胞管填充至泡沫铝的复合结构，可以弥补泡沫铝的缺点，使其具有吸能性能高，又不失独立承载能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多胞管增强泡沫铝结构及其制造工艺，具有安全、简单、低成本、可重复性强的优势。

本发明采用以下技术方案：

一种多胞管增强泡沫铝结构，包括十字加筋多胞圆管，十字加筋多胞圆管内部设置四个四分之一圆柱泡沫铝，十字加筋多胞圆管的外部设置有中心通孔圆筒泡沫铝。

具体的，十字加筋多胞圆管的外径与中心通孔圆筒泡沫铝的中心通孔尺寸一致。

具体的，四分之一圆柱泡沫铝的横截面尺寸与十字加筋多胞圆管的内径一致。

具体的，中心通孔圆筒泡沫铝和四块四分之一圆柱体泡沫铝的孔隙率为70％～90％。

进一步的，多胞管增强泡沫铝结构中，中心通孔圆筒泡沫铝和四块四分之一圆柱体泡沫铝对应的压溃平台应力为6.2～1.2MPa，密实化应变为0.58～0.86。

本发明的另一个技术特征是，一种多胞管增强泡沫铝复合弹结构的制造工艺，包括以下步骤：

S1、采用电火花加工技术将孔隙率70％～90％的闭孔泡沫铝板切割成中心通孔圆筒泡沫铝和四块四分之一柱体泡沫铝；

S2、采用挤压成型工艺制备十字加筋多胞圆管；

S3、将步骤S1和S2制得的中心通孔圆筒泡沫铝、十字加筋多胞圆管、四块四分之一柱体泡沫铝进行超声清洗后烘干备用；

S4、从外至内采用环氧树脂将中心通孔圆筒泡沫铝、十字加筋多胞圆管和四块四分之一圆柱体泡沫铝胶接制成多胞管增强泡沫铝结构。

具体的，步骤S2中，将1061纯铝或6061铝合金制备十字加筋多胞圆管，十字加筋多胞圆管的外径与中心通孔圆筒泡沫铝的中心通孔尺寸一致。

具体的，步骤S3中，超声波清洗的水温为40～60℃，清洗时间为0.5～1h，烘干处理的温度为70～100℃，时间为40～60min。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明公开了一种多胞管增强泡沫铝结构，对于此复合结构，由于泡沫铝为多胞管提供了足够的侧向支撑，使薄壁管的屈曲模式变为更短的波长，并且多胞管在轴压下胞壁相互折叠的耦合增强机制，最终导致了结构比单纯泡沫铝的抗压强度和能量吸收率的提高，甚至比单独测试的管状和泡沫的总和还要大。

进一步的，十字加筋多胞圆管的外径与中心通孔圆筒泡沫铝的中心通孔尺寸一致是为了保证采用环氧树脂进行十字加筋多胞圆管与中心通孔圆筒泡沫铝胶接时，组件之间没有多余空隙，充分粘接。

进一步的，四分之一圆柱泡沫铝的横截面尺寸与十字加筋多胞圆管的内径一致是为了保证采用环氧树脂进行四分之一圆柱泡沫铝与十字加筋多胞圆管胶接时，组件之间没有多余空隙，充分粘接。

进一步的，为了保证多胞管增强泡沫铝结构的可压缩性，中心通孔圆筒泡沫铝和四块四分之一圆柱体泡沫铝由孔隙率为70％～90％的泡沫铝块制成，压溃平台应力和密实化应变分别为6.2～1.2MPa和0.58～0.86。

一种多胞管增强泡沫铝复合弹结构的制造工艺，采用电火花加工技术制备中心通孔圆筒泡沫铝和四块四分之一柱体泡沫铝，采用挤压成型工艺制备十字加筋多胞圆管，将中心通孔圆筒泡沫铝，四块四分之一柱体泡沫铝和十字加筋多胞圆管通过环氧树脂胶接获得多胞管增强泡沫铝结构，通过采用十字加筋多胞圆管提高了多胞管增强泡沫铝结构的压溃应力。该制备方法过程简单，工艺成熟，可进行批量生产。

进一步的，采用1061纯铝或6061铝合金，其密度低，强度高，且塑性好。

综上所述，本发明制备工艺成熟，在对承载和吸能有着迫切需求的民用和军用领域具有广阔的市场前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明多胞管增强泡沫铝结构的几何图；

图2为本发明多胞管增强泡沫铝准静态轴向压缩应力应变对比图。

其中：1.中心通孔圆筒泡沫铝；2.十字加筋多胞圆管；3.四分之一圆柱泡沫铝。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“之间”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或元件必须特定的方位、以特定的构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种多胞管增强泡沫铝结构及其制造工艺，多胞管增强泡沫铝结构从外到内设置有中心通孔圆筒泡沫铝，十字加筋多胞圆管和四分之一圆柱体泡沫铝；制备方法是先采用电火花加工技术将孔隙率70％～90％的闭孔泡沫铝板切割成中心通孔圆筒泡沫铝和四块四分之一柱体泡沫铝，再采用挤压成型工艺制备十字加筋多胞圆管，将制得的中心通孔圆筒泡沫铝、十字加筋多胞圆管、四块四分之一柱体泡沫铝进行超声清洗后烘干备用，最后从外至内采用环氧树脂将中心通孔圆筒泡沫铝、十字加筋多胞圆管和四块四分之一圆柱体泡沫铝胶接制成多胞管增强泡沫铝结构。该结构弥补了泡沫铝承载力低，易坍塌的缺点，使其具有吸能性能高，又不失独立承载能力，制备工艺成熟，在对承载和吸能有着迫切需求的民用和军用领域具有广阔的市场前景。

请参阅图1，本发明一种多胞管增强泡沫铝结构，从内至外依次包括四分之一圆柱泡沫铝3、十字加筋多胞圆管2和中心通孔圆筒泡沫铝1。

十字加筋多胞圆管2的外径与中心通孔圆筒泡沫铝1的中心通孔尺寸一致，四分之一圆柱泡沫铝3的横截面尺寸与十字加筋多胞圆管2的内径一致。

中心通孔圆筒泡沫铝1和四块四分之一圆柱体泡沫铝3由孔隙率为70％～90％的泡沫铝块切割而得，其所对应压溃平台应力和密实化应变分别为6.2～1.2MPa和0.58～0.86。

一种多胞管增强泡沫铝结构的制造工艺，包括以下步骤：

S1、采用电火花加工EDM技术将孔隙率70％～90％的闭孔泡沫铝板切割成中心通孔圆筒泡沫铝和四块四分之一柱体泡沫铝；

S2、采用挤压成型工艺将1061纯铝或6061铝合金制备十字加筋多胞圆管，十字加筋多胞圆管2的外径与中心通孔圆筒泡沫铝1的中心通孔尺寸一致；

S3、将步骤S1和S2制得的中心通孔圆筒泡沫铝、十字加筋多胞圆管、四块四分之一柱体泡沫铝进行超声清洗后烘干备用；

超声波清洗的水温为40～60℃，清洗时间为0.5～1h，去除表面附着物后再进行烘干处理，烘干处理的温度为70℃，时间为40～60min。

S4、将中心通孔圆筒泡沫铝、十字加筋多胞圆管、四块四分之一圆柱体泡沫铝采用环氧树脂进行胶接制成多胞管增强泡沫铝结构。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

1、首先将闭孔泡沫铝采用电火花加工技术切割成外径R_o为28mm，内径R_i为16mm的中心通孔圆筒泡沫铝，泡沫铝密度ρ_f为270kg/m³、压溃平台应力1.2MPa清洗去除油污和锈迹，烘干备用；

2、其次制备半径R_f为15mm的四分之一圆柱体泡沫铝，泡沫铝密度ρ_f为270kg/m3、压溃平台应力1.2MPa，清洗去除油污和锈迹，烘干备用；

3、再次，采用挤压成型工艺制备6061铝合金十字加筋多胞圆管，圆管外径R为16mm,壁厚t_c为1mm

4、将中心通孔圆筒泡沫铝，十字加筋多胞圆管和四分之一圆柱体泡沫铝连接制成多胞管增强泡沫铝结构，结构长度H为70mm，连接方式采用环氧树脂进行胶接。

实施例2

1、首先将闭孔泡沫铝采用电火花加工技术切割成外径R_o为28mm，内径R_i为10mm的中心通孔圆筒泡沫铝，泡沫铝密度ρ_f为420kg/m3、压溃平台应力4.2MPa清洗去除油污和锈迹，烘干备用；

2、其次制备半径R_f为9mm的四分之一圆柱体泡沫铝，泡沫铝密度ρ_f为420kg/m3、压溃平台应力4.2MPa，清洗去除油污和锈迹，烘干备用；

3、再次，采用挤压成型工艺制备1061铝十字加筋多胞圆管，圆管外径R为10mm，壁厚t_c为1.5mm；

4、将中心通孔圆筒泡沫铝，十字加筋多胞圆管和四分之一圆柱体泡沫铝连接制成多胞管增强泡沫铝结构，结构长度H为70mm，连接方式采用环氧树脂进行胶接。

由多胞管增强泡沫铝结构准静态轴向压缩试验表明，对于此复合结构，不仅由于泡沫铝为多胞管提供了足够的侧向支撑，使薄壁管的屈曲模式变为更短的波长，并且多胞管在轴压下胞壁相互折叠的耦合增强机制，最终导致了结构比单纯泡沫铝的抗压强度和能量吸收率的提高，甚至比单独测试的管状和泡沫的总和还要大。

请参阅图2，为多胞管增强泡沫铝轴压实验得到的应力应变曲线，黑色实现为多胞管增强泡沫铝轴压下的应力应变曲线，黑色虚线为各独立组件轴向压缩的应力应变曲线之和，阴影部分为多胞管增强泡沫铝相对其各独立组件在轴向压缩下的耦合增强效应。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。