1.本发明涉及一种复合材料手性点阵夹芯结构及其制备方法。
背景技术：2.点阵夹芯结构力学性能优异，并且互联互通的内部空间结构在集成抗爆、吸能、吸声、抑振、热控、隐身等多功能特性方面具有巨大的潜力，是国际公认的最具前景的新一代先进轻质超强韧结构。复合材料密度低，具有很高的比刚度和比强度，很小的热膨胀系数，以及优异的可设计性。将复合材料应用于点阵夹芯结构中能够充分发挥材料与结构耦合作用的力学特性。随着科技的进步，复合材料点阵夹芯结构越来越多的应用于航空、航天、航海等高新技术领域。这对复合材料点阵夹芯结构的承载、吸能、隔振、吸声等性能的综合表现提出了更高的技术要求，对初始压缩载荷屈曲峰值不可控，弹性隔振吸能效率低等问题的解决也提出了迫切的工程需求。
技术实现要素：3.本发明是要解决现有的点阵夹芯结构综合性能表现差，初始压缩载荷屈曲峰值不可控，弹性隔振吸能效率低的技术问题，提供一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构及其制备方法。
4.本发明的复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构是由上面板1、多个点阵结构组件2和下面板3组成；上面板1和下面板3为平行关系，点阵结构组件2均固定在上面板1和下面板3之间，多个点阵结构组件2在同一平面上并排排列；所述的点阵结构组件2的结构为手性结构；
5.所述的点阵结构组件2是由节点结构5和8个杆件4组成；所述的节点结构5为对称结构且位于点阵结构组件2的中心，8个杆件4的一端固定在节点结构5的外端，节点结构5的上方和下方各设置4个杆件4，8个杆件4的另一端与上面板1或下面板3固定；所有的杆件4与节点结构5之间的夹角相同；
6.所述的节点结构5为十字形或齿轮形结构。
7.本发明的有益效果：
8.1、本发明通过设计点阵结构中的节点结构5，突破了已有点阵结构仅对杆件开展设计的局限性；节点结构5丰富了点阵结构的设计元素，能够建立手性点阵结构构型，有利于提高点阵夹芯结构的综合力学性能；
9.2、通过设计点阵结构中的节点结构5，建立手性点阵结构构型，大幅度降低了点阵夹芯结构的固有频率，充分提高了点阵夹芯结构的减振、隔振性能，扩展了点阵夹芯结构的工程应用范围；
10.3、通过设计点阵结构中的节点结构5，建立手性点阵结构构型，提供了一种能够在面外压缩载荷作用下同时产生压缩和扭转耦合变形模式的点阵夹芯结构，解决了初始压缩载荷屈曲峰值不可控的问题；
11.4、通过设计点阵结构中的节点结构5，建立手性点阵结构构型，提供了一种能够在面外压缩载荷作用下同时产生压缩和扭转耦合变形模式的点阵夹芯结构，为防御爆炸载荷作用，吸收、耗散冲击波能量提供了新机理和新途径；
12.5、通过设计点阵结构中的节点结构5，建立手性点阵结构构型，提供了一种能够在面外压缩载荷作用下同时产生压缩和扭转耦合变形模式的点阵夹芯结构，在内部空间填充材料耦合作用的过程中，必然能够集成新的功能特性，发挥出极端或独特的力学性能；
13.6、通过设计点阵结构中的节点结构5，建立具备自锁特性的手性点阵结构构型。在面外压缩载荷作用下，能够根据节点构型设计的几何参数自调控力学性能，满足降低点阵夹芯结构固有频率的同时，实现压缩进程中提高承载力。
附图说明
14.图1为传统点阵结构组件的示意图；
15.图2为试验一的复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构(十字形节点结构)的示意图；
16.图3为图2中点阵结构组件2的示意图；
17.图4为试验一的复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构(齿轮形节点结构)的示意图；
18.图5为图4中点阵结构组件2的上半部分的示意图；
19.图6为图4中点阵结构组件2的示意图；
20.图7为传统点阵结构在面外压缩载荷作用下仅产生压缩变形模式的结构变形图；
21.图8为试验一的点阵结构组件2(十字形)在面外压缩载荷作用下产生压缩和扭转耦合变形模式的结构变形图；
22.图9为试验一的点阵结构组件2(齿轮形)在面外压缩载荷作用下产生压缩和扭转耦合变形模式的结构变形图；
23.图10为试验一中当节点结构5为十字形时，点阵结构组件2的俯视投影示意图；
24.图11为试验一中当节点结构5为齿轮形时，点阵结构组件2的上半部分的俯视投影示意图；
25.图12为试验一中当节点结构5为齿轮形时，节点结构5的组合形式示意图；
26.图13为点阵夹芯结构的承载力和一阶固有频率对比图。
具体实施方式
27.具体实施方式一：本实施方式为一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构，如图2-图12所示，具体是由上面板1、多个点阵结构组件2和下面板3组成；上面板1和下面板3为平行关系，点阵结构组件2均固定在上面板1和下面板3之间，多个点阵结构组件2在同一平面上并排排列；所述的点阵结构组件2的结构为手性结构；
28.所述的点阵结构组件2是由节点结构5和8个杆件4组成；所述的节点结构5为对称结构且位于点阵结构组件2的中心，8个杆件4的一端固定在节点结构5的外端，节点结构5的上方和下方各设置4个杆件4，8个杆件4的另一端与上面板1或下面板3固定；所有的杆件4与节点结构5之间的夹角相同；
29.所述的节点结构5为十字形或齿轮形结构。
30.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的杆件4的横截面为正方形，杆件4的截面边长与长度的比为0.03～0.1；所述的杆件4的长度为10mm～200mm。其他与具体实施方式一相同。
31.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的杆件4与节点结构5之间的夹角为30
°
～60
°
。其他与具体实施方式一或二相同。
32.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述的节点结构5高度是杆件4横截面边长的2倍～4倍。其他与具体实施方式三相同。
33.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：当节点结构5为十字形时，复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法为：
34.一、通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的点阵结构组件2的俯视投影的形状作为点阵结构预浸料；重复上述操作得到多个点阵结构预浸料；
35.再通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的节点结构5的俯视投影形状作为节点预浸料；重复上述操作得到多个节点预浸料；
36.将多个点阵结构预浸料在竖直方向上分层铺设至高度为预定的杆件4横截面的边长为止，将多个切割后节点预浸料沿竖直方向继续分层铺设至达到预定的节点结构5的高度减去2倍杆件4横截面边长为止，然后将多个点阵结构预浸料沿竖直方向继续分层铺设至达到预定的节点结构5的高度为止；
37.所述的单向复合材料预浸料的厚度为0.14mm～0.16mm；
38.二、将步骤一中铺设完成的预浸料进行机械碾压至紧密粘接；
39.三、将步骤二中机械碾压后的产品置于模具上，采用热压罐加温加压制备点阵结构组件2；
40.四、重复步骤一至三的步骤制备多个点阵结构组件2，将多个点阵结构组件2固定在上面板1和下面板3之间，上面板1和下面板3为平行关系，多个点阵结构组件2在同一平面上并排排列，8个杆件4的自由端与上面板1或下面板3固定，组合成三明治夹芯结构。其他与具体实施方式四相同。
41.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：当节点结构5为齿轮形时，点阵结构组件2是由上下两部分组成，上下两部分结构相同；在上半部分中，4个齿5-1均匀分布在节点结构5的中心部分5-2的外圈，节点结构5的中心部分5-2的高度为齿5-1高度的一半，中心部分5-2的上表面和齿5-1的上表面平齐；上下两部分扣在一起组成节点结构5，上下两部分的齿5-1交错布局。其他与具体实施方式一相同。
42.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：当节点结构5为齿轮形时，复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法为：
43.一、通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的点阵结构组件2上半部分的俯视投影的形状作为点阵结构预浸料；重复上述操作得到多个点阵结构预浸料；
44.再通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的节点结构5的俯视投影形状作为节点预浸料重复上述操作得到多个节点预浸料；
45.再通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的齿5-1的俯视投
影形状作为齿预浸料；重复上述操作得到多个齿预浸料；
46.在竖直方向上从上至下将切割后的点阵结构预浸料分层铺设至高度为预定的杆件4横截面边长为止，然后再将切割后的节点预浸料在点阵结构预浸料的下方继续铺设至达到预定的节点结构5的高度的一半，然后再将切割后的齿预浸料在节点预浸料的下方继续铺设至达到预定的节点结构5的高度；
47.所述的单向复合材料预浸料的厚度为0.14mm～0.16mm；
48.二、将步骤一中铺设完成的预浸料进行机械碾压至紧密粘接；
49.三、将步骤二中机械碾压后的产品置于模具上，采用热压罐加温加压制备点阵结构半组件；
50.四、重复步骤一至三的步骤再制备一个点阵结构半组件，将两个半组件以齿5-1相互嵌入的方式组装制备点阵结构组件2；
51.五、重复步骤一至四的步骤制备多个点阵结构组件2，将多个点阵结构组件2固定在上面板1和下面板3之间制备成三明治夹芯结构。其他与具体实施方式六相同。
52.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式五和七不同的是：热压罐加温加压的工艺为：先以3℃/min升温到80
°
，然后升压至0.1mpa并保压30min；然后以3℃/min升温到130
°
，然后升压至0.3mpa并保压90min。其他与具体实施方式五和七相同。
53.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式五和七不同的是：点阵结构组件2与上面板1和下面板3是通过结构胶进行固定的。其他与具体实施方式五和七相同。
54.用以下试验对本发明进行验证：
55.试验一：本试验为一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构(齿轮形)，如图4、5、6、9、11和12所示，具体是由上面板1、多个点阵结构组件2和下面板3组成；上面板1和下面板3为平行关系，点阵结构组件2均固定在上面板1和下面板3之间，多个点阵结构组件2在同一平面上并排排列；所述的点阵结构组件2的结构为手性结构；
56.所述的点阵结构组件2是由节点结构5和8个杆件4组成(如图6)；所述的节点结构5为对称结构且位于点阵结构组件2的中心，8个杆件4的一端固定在节点结构5的外端，节点结构5的上方和下方各设置4个杆件4，8个杆件4的另一端与上面板1或下面板3固定；所有的杆件4与节点结构5之间的夹角相同；
57.如图12所示，所述的节点结构5为齿轮形结构，点阵结构组件2是由上下两部分组成，上下两部分结构相同；在上半部分中，4个齿5-1均匀分布在节点结构5的中心部分5-2的外圈，节点结构5的中心部分5-2的高度为齿5-1高度的一半，中心部分5-2的上表面和齿5-1的上表面平齐；上下两部分扣在一起组成节点结构5，上下两部分的齿5-1交错布局；
58.所述的杆件4的横截面为正方形；杆件4的截面边长与长度的比为0.05；所述的杆件4的长度为100mm；
59.所述的杆件4与节点结构5之间的夹角为45
°
；
60.所述的节点结构5高度是杆件4横截面边长的2.5倍；
61.复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法为：
62.一、通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的点阵结构组件2上半部分的俯视投影的形状作为点阵结构预浸(见附图11)；重复上述操作得到多个点阵结构预浸料；
63.所述的单向复合材料预浸料的厚度为0.15mm；所述的单向复合材料预浸料为碳纤维t700环氧树脂预浸料；
64.再通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的节点结构5的俯视投影形状作为节点预浸料；重复上述操作得到多个节点预浸料；
65.再通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的齿5-1的俯视投影形状作为齿预浸料；重复上述操作得到多个齿预浸料；
66.在竖直方向上从上至下将切割后的点阵结构预浸料分层铺设至高度为预定的杆件4横截面边长为止，然后再将切割后的节点预浸料在点阵结构预浸料的下方继续铺设至达到预定的节点结构5的高度的一半，然后再将切割后的齿预浸料在节点预浸料的下方继续铺设至达到预定的节点结构5的高度；
67.所述的单向复合材料预浸料的厚度为0.15mm；
68.二、将步骤一中铺设完成的预浸料进行机械碾压至紧密粘接；
69.三、将步骤二中机械碾压后的产品置于模具上，采用热压罐加温加压制备点阵结构半组件(如图5所示)；热压罐加温加压的工艺为：先以3℃/min升温到80
°
，然后升压至0.1mpa并保压30min；然后以3℃/min升温到130
°
，然后升压至0.3mpa并保压90min；
70.四、重复步骤一至三的步骤再制备一个点阵结构半组件，将两个半组件以齿5-1相互嵌入的方式组装制备点阵结构组件2(如图6所示)；
71.五、重复步骤一至四的步骤制备多个点阵结构组件2，将多个点阵结构组件2固定在上面板1和下面板3之间制备成三明治夹芯结构；点阵结构组件2与上面板1和下面板3是通过结构胶进行固定的(如图4所示)。
72.当节点结构5为十字形时(如图2、3、8和10)，复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法为：
73.一、通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的点阵结构组件2的俯视投影的形状作为点阵结构预浸料(如图10所示)；重复上述操作得到多个点阵结构预浸料；所述的单向复合材料预浸料的厚度为0.15mm；所述的单向复合材料预浸料为碳纤维t700环氧树脂预浸料；
74.再通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的节点结构5的俯视投影形状作为节点预浸料；重复上述操作得到多个节点预浸料；
75.将多个点阵结构预浸料在竖直方向上分层铺设至高度为预定的杆件4横截面的边长为止，将多个切割后节点预浸料沿竖直方向继续分层铺设至达到预定的节点结构5的高度减去2倍杆件4横截面边长为止，然后将多个点阵结构预浸料沿竖直方向继续分层铺设至达到预定的节点结构5的高度为止；
76.所述的单向复合材料预浸料的厚度为0.15mm；
77.二、将步骤一中铺设完成的预浸料进行机械碾压至紧密粘接；
78.三、将步骤二中机械碾压后的产品置于模具上，采用热压罐加温加压制备点阵结构组件2(如图3所示)；热压罐加温加压的工艺为：先以3℃/min升温到80
°
，然后升压至0.1mpa并保压30min；然后以3℃/min升温到130
°
，然后升压至0.3mpa并保压90min；
79.四、重复步骤一至三的步骤制备多个点阵结构组件2，将多个点阵结构组件2固定在上面板1和下面板3之间，上面板1和下面板3为平行关系，多个点阵结构组件2在同一平面
上并排排列，8个杆件4的自由端与上面板1或下面板3固定，组合成三明治夹芯结构；点阵结构组件2与上面板1和下面板3是通过结构胶进行固定的(如图2所示)。
80.图13为点阵夹芯结构的承载力和一阶固有频率对比图，曲线1为传统点阵夹芯结构，一阶固有频率为1375hz；曲线2为十字形节点手性点阵夹芯结构，一阶固有频率为811hz；曲线3为齿轮形节点手性点阵夹芯结构，一阶固有频率为862hz。
81.以图1的传统沙漏点阵结构为例，传统的点阵结构中杆件汇交于没有结构特征的节点，点阵结构的构型设计局限于杆件，并且不能够构成手性结构体系。如图7和图13所示，在面外压缩载荷作用下，沙漏点阵结构仅产生压缩变形，具备优异的承载性能，但一阶固有频率较大，减振、隔振性能较差。
82.因此，图3和图6中本试验设计的手性点阵结构通过设计点阵结构中的节点构型，丰富了点阵结构的设计元素。将杆件4固定连接在节点结构5的端部，建立手性点阵结构构型。如图8、图9和图13，在面外压缩载荷作用下，手性点阵结构产生压缩和扭转耦合的变形模式，这不仅解决了初始压缩载荷屈曲峰值不可控的问题，更大幅度降低了点阵夹芯结构的固有频率，充分提高了点阵夹芯结构的减振、隔振性能。虽然十字形节点手性点阵结构的承载性能有一定程度的下降，但通过进一步对节点结构开展设计，建立具备“自锁”功能的齿轮形节点手性点阵结构能够根据节点构型设计的几何参数，在确定的压缩进程中提高承载力。同传统点阵结构相比，手性点阵结构具备优良的承载、减振、隔振等综合力学性能。此外，手性点阵结构的压扭耦合变形模式通过结合内部空间的填充材料，必然能够集成新的功能特性，发挥出极端或独特的力学性能。如在防御爆炸载荷过程中，提供吸收、耗散冲击波能量的新机理和新途径。
技术特征：1.一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构，其特征在于复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构是由上面板(1)、多个点阵结构组件(2)和下面板(3)组成；上面板(1)和下面板(3)为平行关系，点阵结构组件(2)均固定在上面板(1)和下面板(3)之间，多个点阵结构组件(2)在同一平面上并排排列；所述的点阵结构组件(2)的结构为手性结构；所述的点阵结构组件(2)是由节点结构(5)和8个杆件(4)组成；所述的节点结构(5)为对称结构且位于点阵结构组件(2)的中心，8个杆件(4)的一端固定在节点结构(5)的外端，节点结构(5)的上方和下方各设置4个杆件(4)，8个杆件(4)的另一端与上面板(1)或下面板(3)固定；所有的杆件(4)与节点结构(5)之间的夹角相同；所述的节点结构(5)为十字形或齿轮形结构。2.根据权利要求1所述的一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构，其特征在于所述的杆件(4)的横截面为正方形，杆件(4)的截面边长与长度的比为0.03～0.1；所述的杆件(4)的长度为10mm～200mm。3.根据权利要求1所述的一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构，其特征在于所述的杆件(4)与节点结构(5)之间的夹角为30
°
～60
°
。4.根据权利要求1所述的一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构，其特征在于所述的节点结构(5)高度是杆件(4)横截面边长的2倍～4倍。5.如权利要求1所述的一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法，其特征在于当节点结构(5)为十字形时，复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法为：一、通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的点阵结构组件(2)的俯视投影的形状作为点阵结构预浸料；重复上述操作得到多个点阵结构预浸料；再通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的节点结构(5)的俯视投影形状作为节点预浸料；重复上述操作得到多个节点预浸料；将多个点阵结构预浸料在竖直方向上分层铺设至高度为预定的杆件(4)横截面的边长为止，将多个切割后节点预浸料沿竖直方向继续分层铺设至达到预定的节点结构(5)的高度减去2倍杆件(4)横截面边长为止，然后将多个点阵结构预浸料沿竖直方向继续分层铺设至达到预定的节点结构(5)的高度为止；所述的单向复合材料预浸料的厚度为0.14mm～0.16mm；二、将步骤一中铺设完成的预浸料进行机械碾压至紧密粘接；三、将步骤二中机械碾压后的产品置于模具上，采用热压罐加温加压制备点阵结构组件(2)；四、重复步骤一至三的步骤制备多个点阵结构组件(2)，将多个点阵结构组件(2)固定在上面板(1)和下面板(3)之间，上面板(1)和下面板(3)为平行关系，多个点阵结构组件(2)在同一平面上并排排列，8个杆件(4)的自由端与上面板(1)或下面板(3)固定，组合成三明治夹芯结构。6.根据权利要求1所述的一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构，其特征在于当节点结构(5)为齿轮形时，点阵结构组件(2)是由上下两部分组成，上下两部分结构相同；在上半部分中，4个齿(5-1)均匀分布在节点结构(5)的中心部分(5-2)的外圈，节点结构(5)的中心部分(5-2)的高度为齿(5-1)高度的一半，中心部分(5-2)的上表面和齿(5-1)的上表面平齐；上下两部分扣在一起组成节点结构(5)，上下两部分的齿(5-1)交错布局。
7.如权利要求6所述的一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法，其特征在于当节点结构(5)为齿轮形时，复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法为：一、通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的点阵结构组件(2)上半部分的俯视投影的形状作为点阵结构预浸料；重复上述操作得到多个点阵结构预浸料；再通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的节点结构(5)的俯视投影形状作为节点预浸料；重复上述操作得到多个节点预浸料；再通过裁切对单向复合材料预浸料进行形状的切割至得到上述的齿(5-1)的俯视投影形状作为齿预浸料；重复上述操作得到多个齿预浸料；在竖直方向上从上至下将切割后的点阵结构预浸料分层铺设至高度为预定的杆件(4)横截面边长为止，然后再将切割后的节点预浸料在点阵结构预浸料的下方继续铺设至达到预定的节点结构(5)的高度的一半，然后再将切割后的齿预浸料在节点预浸料的下方继续铺设至达到预定的节点结构(5)的高度；所述的单向复合材料预浸料的厚度为0.14mm～0.16mm；二、将步骤一中铺设完成的预浸料进行机械碾压至紧密粘接；三、将步骤二中机械碾压后的产品置于模具上，采用热压罐加温加压制备点阵结构半组件；四、重复步骤一至三的步骤再制备一个点阵结构半组件，将两个半组件以齿(5-1)相互嵌入的方式组装制备点阵结构组件(2)；五、重复步骤一至四的步骤制备多个点阵结构组件(2)，将多个点阵结构组件(2)固定在上面板(1)和下面板(3)之间制备成三明治夹芯结构。8.如权利要求5或7所述的一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法，其特征在于热压罐加温加压的工艺参数为：先以3℃/min升温到80
°
，然后升压至0.1mpa并保压30min；然后以3℃/min升温到130
°
，然后升压至0.3mpa并保压90min。9.如权利要求5或7所述的一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构的制备方法，其特征在于点阵结构组件(2)与上面板(1)和下面板(3)是通过结构胶进行固定的。
技术总结一种复合材料压扭耦合手性点阵夹芯结构及其制备方法，涉及一种复合材料手性点阵夹芯结构及其制备方法。本发明是要解决现有的点阵夹芯结构综合性能表现差，初始压缩载荷屈曲峰值不可控，弹性隔振吸能效率低的技术问题。本发明通过设计点阵结构中的节点结构，建立手性点阵结构构型，大幅度降低了点阵夹芯结构的固有频率，充分提高了点阵夹芯结构的减振、隔振性能，扩展了点阵夹芯结构的工程应用范围；能够在面外压缩载荷作用下同时产生压缩和扭转耦合变形模式，解决了初始压缩载荷屈曲峰值不可控的问题；在面外压缩载荷作用下，能够根据节点构型设计的几何参数自调控力学性能，满足降低点阵夹芯结构固有频率的同时，实现压缩进程中提高承载力。程中提高承载力。程中提高承载力。
技术研发人员：吴鹤翔 曲嘉 朱自强 姚厚企 袁野 庞跃钊
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/11/1
