一种新型点阵芯子结构及其采用的切割嵌锁制备方法
阅读说明：本技术 一种新型点阵芯子结构及其采用的切割嵌锁制备方法 (Novel lattice core structure and cutting interlocking preparation method adopted by same ) 是由 冯丽佳 吴林志 张阿漫 王诗平 明付仁 于国财 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：一种新型点阵芯子结构及其采用的切割嵌锁制备方法,涉及点阵夹芯板的芯材领域。本发明是为了解决随着芯板厚度的增加,导致现有的沙漏点阵结构面板抗屈曲性能差的问题。一种新型点阵芯子结构包括多条第一横向嵌锁条、多条第二横向嵌锁条、多条第一纵向嵌锁条和多条第二纵向嵌锁条,所述的第一横向嵌锁条与第二横向嵌锁条依次交替等间距平行设置,形成横向组嵌锁条；所述的第一纵向嵌锁条和第二纵向嵌锁条依次交替等间距平行设置,形成纵向组嵌锁条；横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条之间相互垂直设置并卡合连接。本发明主要用于形成夹芯板的芯材。(A novel lattice core structure and a cutting interlocking preparation method adopted by the novel lattice core structure relate to the field of core materials of lattice sandwich boards. The invention aims to solve the problem that the traditional hourglass lattice structure panel has poor buckling resistance along with the increase of the thickness of a core plate. A novel lattice core structure comprises a plurality of first transverse interlocking strips, a plurality of second transverse interlocking strips, a plurality of first longitudinal interlocking strips and a plurality of second longitudinal interlocking strips, wherein the first transverse interlocking strips and the second transverse interlocking strips are sequentially arranged in parallel at equal intervals in an alternating mode to form transverse assembling interlocking strips; the first longitudinal interlocking strips and the second longitudinal interlocking strips are sequentially arranged in parallel at equal intervals in an alternating mode to form longitudinal group interlocking strips; the transverse group embedded locking strips and the longitudinal group embedded locking strips are mutually and vertically arranged and are connected in a clamping way. The invention is mainly used for forming the core material of the sandwich board.)
技术领域
本发明涉及点阵夹芯板的芯材领域，尤其涉及一种新型点阵芯子结构及其采用的切割嵌锁制备方法。
背景技术
轻质点阵结构兼具了轻量化、高刚高强、吸能、降噪、隐身、热控等为一体的复合多功能开发特性，得到了广泛研究并已开始应用于先进航天器结构中，因而具有很大潜力应用于航空航天及船海领域。对点阵结构研究主要集中于各方面性能较为优异的金字塔点阵结构，发现其展现出了优异的力学性能。然而，由于金字塔点阵结构连接面板的节点间距较宽，面板抗面内拉伸能力较弱，并且由于金字塔点阵结构芯子杆件长细比较大，其在压缩载荷下易过早发生杆件失稳失效，不能充分发挥结构承载能力。研究表明，相比于金字塔点阵结构，一种加强型的“沙漏型”点阵结构(如图8所示)在此两方面均更具优势，其节点间距更小且芯子杆件抗屈曲能力更强，可以弥补传统金字塔点阵结构的不足，避免过早失效，提高承载效率，因此具有更强力学承载能力。但随着芯板厚度的增加,仍然能够清楚地观察到沙漏点阵结构面板的局部屈曲破坏模式，因此，有必要通过改进沙漏点阵结构的设计，进一步提高面板抗屈曲性能；为此，本发明提出一种新型的点阵芯材，并提出一种制备点阵芯材的切割-嵌锁组装方法。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：随着芯板厚度的增加，导致现有的沙漏点阵结构面板抗屈曲性能差，进而提出一种新型点阵芯子结构及其采用的切割嵌锁制备方法。
本发明是通过下述方案予以实现的：
一种新型点阵芯子结构包括多条第一横向嵌锁条、多条第二横向嵌锁条、多条第一纵向嵌锁条和多条第二纵向嵌锁条，所述的第一横向嵌锁条与第二横向嵌锁条依次交替等间距平行设置，形成横向组嵌锁条；所述的第一纵向嵌锁条和第二纵向嵌锁条依次交替等间距平行设置，形成纵向组嵌锁条；横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条之间相互垂直设置并卡合连接。
进一步的，所述的第一横向嵌锁条、第二横向嵌锁条、第一纵向嵌锁条和第二纵向嵌锁条均是由多个第一点阵单元和多个第二点阵单元组成；所述的第一横向嵌锁条是第一点阵单元和第二点阵单元依次横向并排交替设置，且首尾顺次连接一体制成；所述的第二横向嵌锁条是第二点阵单元和第一点阵单元依次横向并排交替设置，且首尾顺次连接一体制成；所述的第一横向嵌锁条与第二横向嵌锁条的长度相同；所述的第一纵向嵌锁条是第二点阵单元和第一点阵单元依次横向并排交替设置，并进行上下翻转，且首尾顺次连接一体制成；所述的第二纵向嵌锁条是第一点阵单元和第二点阵单元依次横向并排交替设置，并进行上下翻转，且首尾顺次连接一体制成；所述的第一纵向嵌锁条与第二纵向嵌锁条的长度相同。
进一步的，所述的第一横向嵌锁条与第二横向嵌锁条加和的数量等于第一纵向嵌锁条中第二点阵单元与第一点阵单元加和的总数量；所述的第一纵向嵌锁条和第二纵向嵌锁条加和的数量等于第一横向嵌锁条中第二点阵单元与第一点阵单元加和的总数量。
进一步的，所述的第一点阵单元包括上下相对设置的第二X件和第一X件，所述的第二X件下端的两个支脚与第一X件上端的两个支脚分别连接并一体成形；所述的第二点阵单元包括上下相对设置的第三X件和第二X件，所述的第三X件下端的两个支脚与第二X件上端的两个支脚分别连接并一体成形。
进一步的，相邻的第一点阵单元和第二点阵单元之间顶端的两个支脚连接并一体成形，形成上凸台，中间的四个支脚连接并一体成形，形成连接节点，底端的两个支脚连接并一体成形，形成下凸台。
进一步的，所述的第二X件交点处上方开有半槽口；所述的第三X件交点处开有第二整槽口；所述的第二整槽口的槽宽、半槽口的槽宽、第一横向嵌锁条的厚度、第二横向嵌锁条的厚度、第一纵向嵌锁条的厚度和第二纵向嵌锁条的厚度均相同。
进一步的，所述的第一横向嵌锁条、第二横向嵌锁条、第一纵向嵌锁条和第二纵向嵌锁条的厚度的取值范围为0.1-10mm。
进一步的，所述的第一X件交点处开有第一整槽口，所述的上凸台和下凸台处分别开有第三整槽口，第一整槽口的槽宽与第三整槽口的槽宽均为0.05mm。
所述的一种采用切割嵌锁制备新型点阵芯子结构的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一:切割嵌锁条：利用电火花线切割机将多张叠加后的板材切割成多条相同的嵌锁条，电火花线切割机的切割速度为3.5毫米/分钟；所述的嵌锁条由第一点阵单元和第二点阵单元横向并排交替设置，并首尾顺次连接一体成形；
步骤二：分割嵌锁条：利用电火花切割机将嵌锁条分割成多条第一横向嵌锁条、多条第二横向嵌锁条、多条第一纵向嵌锁条和多条第二纵向嵌锁条；
步骤三：组装点阵芯子：将第一横向嵌锁条与第二横向嵌锁条依次交替等间距平行设置，形成横向组嵌锁条；将第一纵向嵌锁条和第二纵向嵌锁条依次交替等间距平行设置，形成纵向组嵌锁条；横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条之间相互垂直设置；横向组嵌锁条中的第一点阵单元的半槽口穿过纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元的第二整槽口，所述的横向组嵌锁条中的第一点阵单元与所述的纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元通过两个半槽口的卡合和第二整槽口与第一整槽口的嵌合进行连接；所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元的半槽口穿过横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元的第二整槽口，所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元与所述的横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元通过两个半槽口的卡合和第二整槽口与第一整槽口的嵌合进行连接。
所述的一种采用切割嵌锁制备新型点阵芯子结构的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一:切割嵌锁条：利用激光切割机依次将每张板材切割成嵌锁条，所述的嵌锁条由第一点阵单元和第二点阵单元横向并排交替设置，并首尾顺次连接一体成形；
步骤二：分割嵌锁条：利用激光切割机将嵌锁条分割成多条第一横向嵌锁条、多条第二横向嵌锁条、多条第一纵向嵌锁条和多条第二纵向嵌锁条；
步骤三：组装点阵芯子：将第一横向嵌锁条与第二横向嵌锁条依次交替等间距平行设置，形成横向组嵌锁条；将第一纵向嵌锁条和第二纵向嵌锁条依次交替等间距平行设置，形成纵向组嵌锁条；横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条之间相互垂直设置；横向组嵌锁条中的第一点阵单元的半槽口穿过纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元的第二整槽口，所述的横向组嵌锁条中的第一点阵单元与所述的纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元通过两个半槽口的卡合和第二整槽口与第一X件的交叉点处的嵌合进行连接；所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元的半槽口穿过横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元的第二整槽口，所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元与所述的横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元通过两个半槽口的卡合和第二整槽口与第一X件的交叉点处的嵌合进行连接。
本发明具有的效果是：
本发明中的芯材与已有的沙漏点阵芯材相比(见图12至图14)，在芯材高度确定的情况下，可有效提高面板上的节点密度，从而缩短节点间的距离，其中d2＝1/2d1，d2为本发明点阵芯子的节点行间距，d1为沙漏点阵芯材的节点行间距，也就是说本发明的节点数量是沙漏点阵芯材节点数量的2倍，该点阵芯子与面板连接后将能更有效地提高薄面板厚芯子点阵结构的抗面板局部屈曲的能力；
此种点阵芯材的主要优势有以下几个方面:(1)与目前已有的沙漏点阵芯材相比，此种芯材能够改善和增强结构吸能性。(2)通过实验表明，在面内压缩载荷下，当板材局部发生屈曲而失效时，本发明点阵结构的面内压缩最大载荷明显高于已有沙漏点阵结构；(3)利用电火花线切割机切割时，将上凸台和下凸台等处进行开口切割的制备方法保证切割的连续性，可提高制备效率、降低制备成本。
附图说明
图1为第一横向嵌锁条的构型示意图；
图2为第二横向嵌锁条的构型示意图；
图3为第一纵向嵌锁条的构型示意图；
图4为第二纵向嵌锁条的构型示意图；
图5为第一点阵单元的结构示意图；
图6为第二点阵单元的结构示意图；
图7为横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条连接前的状态图；
图8为横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条连接后形成的点阵芯材示意图；
图9为点阵芯材的俯视图；
图10为点阵芯材的主视图；
图11为点阵芯材的轴测图；
图12为沙漏型点阵芯材的俯视图；
图13为沙漏型点阵芯材的主视图；
图14为沙漏型点阵芯材的轴测图。
具体实施方式
以下通过详细实施例子和附图对本方案的具体结构和实施方式进行详细说明。
所述的一种新型点阵芯子结构包括多条第一横向嵌锁条1、多条第二横向嵌锁条2、多条第一纵向嵌锁条13和多条第二纵向嵌锁条14，所述的第一横向嵌锁条1与第二横向嵌锁条2依次交替等间距平行设置，形成横向组嵌锁条；所述的第一纵向嵌锁条13和第二纵向嵌锁条14依次交替等间距平行设置，形成纵向组嵌锁条；如图7至图11所示，横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条之间相互垂直设置并卡合连接。
如图1至图4所示，所述的第一横向嵌锁条1、第二横向嵌锁条2、第一纵向嵌锁条13和第二纵向嵌锁条14均是由多个第一点阵单元5和多个第二点阵单元6组成；
如图1所述，所述的第一横向嵌锁条1是以第一点阵单元5为起点，由第一点阵单元5和第二点阵单元6横向并排交替设置，且第一点阵单元5和第二点阵单元6首尾顺次连接并一体成形；
如图2所述，所述的第二横向嵌锁条2是以第二点阵单元6为起点，由第二点阵单元6和第一点阵单元5横向并排交替设置，第二点阵单元6和第一点阵单元5首尾顺次连接并一体成形；
所述的第一横向嵌锁条1与第二横向嵌锁条2的长度相同，也就是说，第一横向嵌锁条1中的第一点阵单元5和第二点阵单元6加和的数量等于第二横向嵌锁条2中的第一点阵单元5和第二点阵单元6加和的数量；
如图3所述，所述的第一纵向嵌锁条13是以第二点阵单元6为起点，由第二点阵单元6和第一点阵单元5横向并排交替设置，并进行上下翻转，且第二点阵单元6和第一点阵单元5首尾顺次连接并一体成形；
如图4所述，所述的第二纵向嵌锁条14是以第一点阵单元5为起点，由第一点阵单元5和第二点阵单元6横向并排交替设置，并进行上下翻转，且第一点阵单元5和第二点阵单元6首尾顺次连接并一体成形；
所述的第一纵向嵌锁条13与第二纵向嵌锁条14的长度相同，也就是说，第一纵向嵌锁条13中的第一点阵单元5和第二点阵单元6加和的数量等于第二纵向嵌锁条14中的第一点阵单元5和第二点阵单元6加和的数量。
所述的第一横向嵌锁条1与第二横向嵌锁条2加和的数量等于第一纵向嵌锁条13中第二点阵单元6与第一点阵单元5加和的总数量；所述的第一纵向嵌锁条13和第二纵向嵌锁条14加和的数量等于第一横向嵌锁条1中第二点阵单元6与第一点阵单元5加和的总数量。
如图5所示，所述的第一点阵单元5包括上下相对设置的第二X件4和第一X件3，且第二X件4和第一X件3的四个支脚的端部分别设有连接体8，所述的第二X件4下端的两个支脚与第一X件3上端的两个支脚分别通过连接体8连接并一体成形；
如图6所示，所述的第二点阵单元6包括上下相对设置的第三X件7和第二X件4，且第三X件7和第二X件4的四个支脚的端部分别设有连接体8，所述的第三X件7下端的两个支脚与第二X件4上端的两个支脚分别通过连接体8连接并一体成形；
相邻的第一点阵单元5和第二点阵单元6之间的顶端的两个支脚的连接体8连接并一体成形，形成上凸台9，中间的四个支脚的连接体8连接并一体成形，形成连接节点11，底端的两个支脚的连接体8连接并一体成形，形成下凸台10；在电火花切割时，为了确保连续切割，提高切割效率，在上凸台9和下凸台10处分别开有槽，槽的宽度为0.05mm。
所述的第一X件3、第二X件4和第三X件7的四个支脚的长度与宽度均相同；且相对应的相邻的两个支脚之间的夹角角度相同；
如图5和图6所示，所述的第二X件4交点处上方开有半槽口4-1；所述的第三X件7交点处开有第二整槽口7-1，第二整槽口7-1使第三X件7交点处的左侧两支脚与右侧两个支脚分离；在电火花切割时，为了保证切割的连续性，在所述的第一X件3交点处开有第一整槽口3-1，槽宽为0.05mm，第一整槽口3-1使第一X件3交点处的左侧两支脚与右侧两个支脚分离；
所述的第二整槽口7-1的槽宽大于第一整槽口3-1的槽宽；所述的第二整槽口7-1的槽宽、半槽口4-1的槽宽、横向嵌锁条1的厚度与纵向嵌锁条2的厚度均相同，所述的横向嵌锁条1与纵向嵌锁条2的厚度的取值范围为0.1-10mm；
在半槽口4-1和第二整槽口7-1的宽度和深度方向也可以在原来的基础上留0.05mm间隙，也就是说第二整槽口7-1的槽宽和半槽口4-1的槽宽比嵌锁条的厚度大于0.05mm，方便嵌锁组装和后期焊接时加焊料。
如图7至图11所示，在横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条进行卡合形成点阵芯材的过程中，横向组嵌锁条中的第一点阵单元5的半槽口4-1穿过纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元6的第二整槽口7-1，所述的横向组嵌锁条中的第一点阵单元5与所述的纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元6通过两个半槽口4-1的卡合和第二整槽口7-1与第一X件3开有的第一整槽口3-1或者与第一X件3交叉点处(此时第一X件3交叉点处并没有开口)的嵌合进行连接；所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元5的半槽口4-1穿过横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元6的第二整槽口7-1，所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元5与所述的横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元6通过两个半槽口4-1的卡合和第二整槽口7-1与第一X件3开有的第一整槽口3-1或者与第一X件3交叉点处(此时第一X件3交叉点处并没有开口)的嵌合进行连接。
实施例1：一种采用切割嵌锁制备新型点阵芯子结构的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：切割嵌锁条：利用电火花线切割机将多张叠加后的板材切割成多条相同的嵌锁条，叠加后的板材厚度在20mm左右为宜，电火花线切割机的切割速度为3.5毫米/分钟，在电火花切割时，通过适当调整切割丝的松紧，来保证切割的精确度；所述的嵌锁条由第一点阵单元5和第二点阵单元6横向并排交替设置，并首尾顺次连接一体成形；
步骤二：分割嵌锁条：利用电火花切割机将嵌锁条分割成多条第一横向嵌锁条1、多条第二横向嵌锁条2、多条第一纵向嵌锁条13和多条第二纵向嵌锁条14；
步骤三：组装点阵芯子：将第一横向嵌锁条1与第二横向嵌锁条2依次交替等间距平行设置，形成横向组嵌锁条；将第一纵向嵌锁条13和第二纵向嵌锁条14依次交替等间距平行设置，形成纵向组嵌锁条；横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条之间相互垂直设置；横向组嵌锁条中的第一点阵单元5的半槽口4-1穿过纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元6的第二整槽口7-1，所述的横向组嵌锁条中的第一点阵单元5与所述的纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元6通过两个半槽口4-1的卡合和第二整槽口7-1与第一整槽口3-1的嵌合进行连接；所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元5的半槽口4-1穿过横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元6的第二整槽口7-1，所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元5与所述的横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元6通过两个半槽口4-1的卡合和第二整槽口7-1与第一整槽口3-1的嵌合进行连接。
在采用电火花切割机进行切割时，为了保证切割的连续性，减少切割时间，所获得的第一横向嵌锁条1、第二横向嵌锁条2、第一纵向嵌锁条13和第二纵向嵌锁条14中的第一点阵单元5的第一X件3交叉点处开有第一整槽口3-1，上凸台9和下凸台10处分别开有第三整槽口；因为第一点阵单元5的第一整槽口3-1处全部切断，第二点阵单元6的第二整槽口7-1处全部切断，所以第一整槽口3-1与第二整槽口7-1的嵌合处比两个半槽口4-1的卡合处更加薄弱，所以通过第一点阵单元5和第二点阵单元6交替形式设置，可以避免第一整槽口3-1与第二整槽口7-1的嵌合处同时出现在点阵芯材的上侧或者下侧的现象，来避免点阵结构先在上部或者下部过早破坏，第一整槽口3-1与第二整槽口7-1的嵌合和两个半槽口4-1的卡合在点阵结构的上侧和下侧分别交替设置，使整体点阵结构上下两部分承载能力相差不大(如图7和图8所示)。
实施例2：一种采用切割嵌锁法制备新型点阵芯子结构的方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一:切割嵌锁条：利用激光切割机将板材切割成嵌锁条，所述的嵌锁条由第一点阵单元5和第二点阵单元6横向并排交替设置，并首尾顺次连接一体成形；
步骤二：分割嵌锁条：利用激光切割机将嵌锁条分割成多条第一横向嵌锁条1、多条第二横向嵌锁条2、多条第一纵向嵌锁条13和多条第二纵向嵌锁条14；
步骤三：组装点阵芯子：将第一横向嵌锁条1与第二横向嵌锁条2依次交替等间距平行设置，形成横向组嵌锁条；将第一纵向嵌锁条13和第二纵向嵌锁条14依次交替等间距平行设置，形成纵向组嵌锁条；横向组嵌锁条与纵向组嵌锁条之间相互垂直设置；横向组嵌锁条中的第一点阵单元5的半槽口4-1穿过纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元6的第二整槽口7-1，所述的横向组嵌锁条中的第一点阵单元5与所述的纵向组嵌锁条中相对的第二点阵单元6通过两个半槽口4-1的卡合和第二整槽口7-1与第一整槽口3-1的嵌合进行连接；所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元5的半槽口4-1穿过横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元6的第二整槽口7-1，所述的纵向组嵌锁条中的第一点阵单元5与所述的横向组嵌锁条中相对应的第二点阵单元6通过两个半槽口4-1的卡合和第二整槽口7-1与第一整槽口3-1的嵌合进行连接。
在采用激光切割机进行切割时，所获得的第一横向嵌锁条1、第二横向嵌锁条2、第一纵向嵌锁条13和第二纵向嵌锁条14中的第一点阵单元5的第一X件3交叉点处、上凸台和下凸台并不进行处理，也就是说，第一X件3交叉点处是连接的一体成形的结构，上凸台和下凸台的位置也是连接的一体成形的结构，此种结构刚度更大，抗面板局部屈曲的能力更强，但是因为第二点阵单元6的第二整槽口7-1处全部切断，所以第一X件3交叉点与第二整槽口7-1的嵌合处比两个半槽口4-1的卡合处更加薄弱，所以通过第一点阵单元5和第二点阵单元6交替形式设置，可以避免第一X件3交叉点与第二整槽口7-1的嵌合处同时出现在点阵芯材的上侧或者下侧的现象，来避免点阵结构先在上部或者下部过早破坏，第一X件3交叉点与第二整槽口7-1的嵌合和两个半槽口4-1的卡合在点阵结构的上侧和下侧分别交替设置，使整体点阵结构上下两部分承载能力相差不大(如图7和图8所示)。
本发明中通过实施例1和实施例2所获得的芯材与已有的沙漏点阵芯材相比(见图12至图14)，在芯材高度确定的情况下，此种芯材的设计可有效提高面板的节点密度，其中d2＝1/2d1，d2为本发明点阵芯子的节点行间距，d1为沙漏点阵芯材的节点行间距，也就是说本发明的节点数量是沙漏点阵芯材节点数量的2倍，本发明的点阵芯子与面板连接后将能更有效地提高薄面板厚芯子点阵结构的抗面板局部屈曲的能力。
此种点阵芯材的主要优势有以下几个方面:(1)与目前已有的沙漏点阵芯材相比，此种芯材能够改善和增强结构吸能性。(2)通过实验表明，在面内压缩载荷下，当板材局部发生屈曲而失效时，本发明的点阵结构的面内压缩最大载荷明显高于已有沙漏点阵结构；(3)利用电火花线切割机切割时，将上凸台和下凸台等处进行开口切割的制备方法保证切割的连续性，可提高制备效率、降低制备成本。
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