本發(fā)明涉及一種含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板及其力學(xué)性能檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

點(diǎn)陣材料由三維空間微桁架結(jié)構(gòu)組成，自從提出以來就受到了國內(nèi)外研究學(xué)者廣泛的關(guān)注。而由兩層高度較大的金屬薄板與點(diǎn)陣夾芯組成的金屬點(diǎn)陣夾層板結(jié)構(gòu)，由于其高比剛度、比強(qiáng)度以及多功能性及可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，在航空航天熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

然而，由于制備工藝的不成熟以及結(jié)構(gòu)自身的復(fù)雜性，點(diǎn)陣夾層板很容易出現(xiàn)焊點(diǎn)缺焊、胞元缺失、面板穿孔等局部缺陷。研究表明，焊點(diǎn)缺焊的數(shù)量及位置都會(huì)對(duì)點(diǎn)陣夾層板的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，另外，缺焊對(duì)點(diǎn)陣夾層板抗剪切性能的影響要大于抗壓縮性能。對(duì)于點(diǎn)陣夾層板這種抗剪切性能較弱的結(jié)構(gòu)，抗剪切性能顯著地影響了點(diǎn)陣夾層板抵抗變形的能力，從而對(duì)點(diǎn)陣夾層板的屈曲行為產(chǎn)生比較大的影響。另一方面，焊點(diǎn)缺焊、點(diǎn)陣胞元缺失和面板穿孔都是點(diǎn)陣夾層板制備以及應(yīng)用過程中常見的缺陷。因此，分析缺陷對(duì)點(diǎn)陣夾層板屈曲行為的影響規(guī)律是點(diǎn)陣夾層板在工程應(yīng)用中必須面臨的問題。

目前常見的點(diǎn)陣材料制備方法包括熔模鑄造法、編織法和沖壓折疊法，但是，這些方法或者制備工藝較為復(fù)雜，或者制備成本較高，或者只能適用于少數(shù)幾種金屬點(diǎn)陣材料的制備，并不利于推廣應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板及其力學(xué)性能檢測(cè)方法，該制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、適用于多數(shù)金屬點(diǎn)陣材料的制備，通過該力學(xué)性能檢測(cè)方法能夠有效全面地檢測(cè)到含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板的力學(xué)性能。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板，由以下方法制得：

1)將具有周期性菱形結(jié)構(gòu)的平面二維結(jié)構(gòu)的金屬絲網(wǎng)，在其節(jié)點(diǎn)處沖壓，得到具有三維金字塔結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣材料；

2)在所述點(diǎn)陣材料或者金屬面板上預(yù)制缺陷，將所述點(diǎn)陣材料作為芯材疊加設(shè)在兩個(gè)金屬面板之間，將三者重疊后高溫釬焊，得到所述含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板；

其中，所述預(yù)制缺陷包括：在所述點(diǎn)陣材料的部分節(jié)點(diǎn)上涂覆保護(hù)材料、切除局部金屬點(diǎn)陣夾芯或在其中的一個(gè)所述金屬面板上打孔。

進(jìn)一步地，步驟1)中，通過切割或拉伸金屬薄板得到具有周期性菱形結(jié)構(gòu)的二維結(jié)構(gòu)的金屬絲網(wǎng)。

進(jìn)一步地，步驟2)中，所述高溫釬焊具體為，使用Bni-2釬料，加熱溫度為1040-1060℃，加熱時(shí)間為10-15分鐘。

進(jìn)一步地，步驟2)中，所述保護(hù)材料為潤(rùn)濕能力弱的氧化鋁。

進(jìn)一步地，步驟2)中，所述保護(hù)材料在所述金屬點(diǎn)陣夾層板上呈單排涂覆或者局部面涂覆。

本發(fā)明還提供了對(duì)所述的含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)的方法，包括：

1)將所述含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板平面設(shè)在液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)上；

2)對(duì)所述含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板加載載荷，同時(shí)使用CCD攝像機(jī)對(duì)所述金屬點(diǎn)陣夾層板的側(cè)面進(jìn)行連續(xù)拍攝，記錄含預(yù)制缺陷的所述金屬點(diǎn)陣夾層板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化；

3)使用三維激光測(cè)振儀對(duì)所述金屬點(diǎn)陣夾層板在載荷加載過程中的震動(dòng)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

進(jìn)一步地，步驟2)中，采用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)在點(diǎn)陣夾層板兩側(cè)施加面內(nèi)壓力，加載形式為位移加載，加載速率為2mm/min，根據(jù)材料試驗(yàn)機(jī)讀取的載荷大小，得到面內(nèi)壓縮條件下的載荷位移曲線。

進(jìn)一步地，步驟2)中，所述CCD攝像機(jī)的分辨率為1626pixel×1236pixel。

本發(fā)明采用沖壓折疊法針對(duì)不銹鋼金屬絲網(wǎng)進(jìn)行沖壓得到了金字塔結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣夾芯，通過將具備有周期性菱形結(jié)構(gòu)的平面二維結(jié)構(gòu)的金屬絲網(wǎng)進(jìn)行沖壓得到了具有三維結(jié)構(gòu)金字塔結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣夾芯，然后通過在焊點(diǎn)處涂抹保護(hù)材料、切割胞元或在金屬面板上打孔的方法制備了含有不同分布形式的焊點(diǎn)缺焊的點(diǎn)陣夾層板板結(jié)構(gòu)。

對(duì)含不同預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板進(jìn)行力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)陣夾層板在發(fā)生彈性歐拉屈曲之前，金屬面板首先發(fā)生了屈服。因此，金屬點(diǎn)陣夾層板本身并沒有產(chǎn)生彈性歐拉屈曲，主要的失效模式為上下金屬面板局部形成塑性鉸并發(fā)生了塑性屈曲。而預(yù)制缺陷的分布形式不同對(duì)金屬點(diǎn)陣尖層板的屈曲強(qiáng)度不同。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提供的三個(gè)含缺焊缺陷以及一個(gè)含金屬面板穿孔缺陷的結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的一個(gè)不含預(yù)制缺陷、三個(gè)含缺焊缺陷以及一個(gè)含金屬面板穿孔缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板的屈曲模態(tài)對(duì)比圖；

圖4為含缺陷點(diǎn)陣夾層板載荷位移曲線圖，其中橫坐標(biāo)為溫度坐標(biāo)；

1.芯材，2.金屬面板，3.節(jié)點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。

如圖1所示，一種含預(yù)制缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板，通過切割或拉伸金屬薄板得到具有周期性菱形結(jié)構(gòu)的二維結(jié)構(gòu)的金屬絲網(wǎng)，將該金屬絲網(wǎng)在其節(jié)點(diǎn)處沖壓，得到具有三維金字塔結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣材料。

在該點(diǎn)陣材料的部分節(jié)點(diǎn)上涂覆潤(rùn)濕能力弱的氧化鋁，將部分節(jié)點(diǎn)上涂覆了氧化鋁的點(diǎn)陣材料作為芯材疊加設(shè)在兩個(gè)金屬面板之間，將芯材和兩個(gè)金屬面板重疊，將未涂覆氧化鋁的芯材上的節(jié)點(diǎn)與金屬面板高溫釬焊連接，使用Bni-2釬料在1040℃-1060℃高溫下加熱釬焊10-15分鐘，得到含缺焊缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板。

其中，在節(jié)點(diǎn)上涂覆氧化鋁材料能夠阻止被涂覆的節(jié)點(diǎn)與金屬面板連接，進(jìn)而形成缺焊缺陷。而在涂覆氧化鋁時(shí)，可以將芯材上的某一行或者某一列的節(jié)點(diǎn)順次涂覆形成單排缺焊；或者可以在芯材的某一區(qū)域的節(jié)點(diǎn)上涂覆，比如，在芯材中心的方形區(qū)域涂覆6×11個(gè)焊點(diǎn)，或者涂覆×7個(gè)焊點(diǎn)形成不同面積的缺焊缺陷。

還可以形成面板穿孔缺陷，具體為，在其中的一個(gè)金屬面板上穿孔，之后再將芯材與兩個(gè)金屬面板焊接，形成具有面板穿孔缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板。

還可以形成胞元缺失缺陷，具體是，將作為芯材的點(diǎn)陣材料中的局部胞元結(jié)構(gòu)剪掉，之后再將芯材與面板材料釬焊形成含胞元缺失缺陷的金屬點(diǎn)陣夾層板。

實(shí)驗(yàn)例1：

對(duì)上述的含缺焊缺陷和面板穿孔缺陷的四個(gè)金屬點(diǎn)陣夾層板分別進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，四個(gè)試樣板的尺寸均為250×250×7.8mm。分別為：

D1.單排缺焊，D2.中心含6×11個(gè)焊點(diǎn)缺焊；D3：中心含4×7個(gè)焊點(diǎn)缺焊；D4：面板穿孔，該四個(gè)樣板的示意圖如圖2所示。

采用型號(hào)為WE-1000B的100噸液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)含預(yù)制缺陷金屬點(diǎn)陣夾層板進(jìn)行壓縮測(cè)試，在點(diǎn)陣夾層板兩側(cè)施加面內(nèi)壓力，加載形式為位移加載，加載速率為2mm/min。根據(jù)材料試驗(yàn)機(jī)讀取的載荷大小，便可以得到面內(nèi)壓縮條件下的載荷位移曲線。同時(shí)使用CCD攝像機(jī)在夾層板側(cè)面進(jìn)行連續(xù)拍攝，拍攝頻率為每秒一幅圖像，CCD攝像機(jī)的分辨率為1626 pixel×1236 pixel。

試驗(yàn)結(jié)果：

從實(shí)驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)，如圖3所示，點(diǎn)陣夾層板在發(fā)生彈性歐拉屈曲之前，金屬面板首先發(fā)生了屈服。因此，點(diǎn)陣夾層板并沒有產(chǎn)生彈性歐拉屈曲，主要的失效模式為上下金屬面板局部形成塑性鉸并發(fā)生了塑性屈曲。

如圖4所示，對(duì)于具有中心缺焊的金屬點(diǎn)陣夾層板而言，缺焊數(shù)目對(duì)臨界載荷影響很小。另外，金屬面板中心處穿孔也沒有明顯地改變點(diǎn)陣夾層板的臨界屈曲載荷。但是，對(duì)于具有與壓縮方向垂直的單排缺焊的點(diǎn)陣夾層板，該缺焊使結(jié)構(gòu)抵抗屈曲的能力顯著下降，且下降為完整結(jié)構(gòu)的50％左右，所以，通過該試驗(yàn)?zāi)軌蜃C明缺陷分布形式對(duì)點(diǎn)陣夾層板屈曲強(qiáng)度有較大影響。

實(shí)驗(yàn)例2：

對(duì)含胞元缺失缺陷對(duì)金屬點(diǎn)陣夾層板結(jié)構(gòu)的固有頻率影響的檢測(cè)：

在激勵(lì)過程中，采用三維激光測(cè)振儀對(duì)含胞元缺失缺陷的點(diǎn)陣金屬夾層板結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行測(cè)試，其中A00代表完好點(diǎn)陣夾層板、SD1代表具有2×3個(gè)胞元缺失點(diǎn)陣夾層板試件、SD2代表具有3×4個(gè)胞元缺失點(diǎn)陣夾層板試件、SD3代表具有4×5個(gè)胞元缺失點(diǎn)陣夾層板試件。結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示：

表1

由表1可以看出，胞元缺失會(huì)對(duì)點(diǎn)陣夾層板結(jié)構(gòu)的固有頻率產(chǎn)生較大影響。當(dāng)胞元缺失率達(dá)到1.7％時(shí)，點(diǎn)陣夾層板試件的一階固有頻率降低了15.5％，而當(dāng)胞元缺失率達(dá)到3.4％時(shí)，點(diǎn)陣夾層板試件的一階固有頻率降低了27.9％。另外，由于隨機(jī)缺陷及結(jié)構(gòu)整體幾何缺陷等因素影響，而當(dāng)胞元缺失率達(dá)到5.7％時(shí)，點(diǎn)陣夾層板試件的固有頻率降低為19.4％。這也正說明了，對(duì)于我們研究的點(diǎn)陣夾層板而言，缺陷種類復(fù)雜，需要采用預(yù)制缺陷的方法來研究結(jié)構(gòu)的缺陷敏感性問題。

以上，雖然說明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式，但是這些實(shí)施方式只是作為例子提出的，并非用于限定本發(fā)明的范圍。對(duì)于這些新的實(shí)施方式，能夠以其他各種方式進(jìn)行實(shí)施，在不脫離本發(fā)明的要旨的范圍內(nèi)，能夠進(jìn)行各種省略、置換、及變更。這些實(shí)施方式和其變形，包含于本發(fā)明的范圍和要旨中的同時(shí)，也包含于權(quán)利要求書中記載的發(fā)明及其均等范圍內(nèi)。