一种高比吸能的仿生复合材料结构和制造方法
技术领域
本发明涉及复合材料吸能装置技术领域，尤其涉及一种高比吸能的仿生复合材料结构和制造方法。
背景技术
碰撞吸能装置可以极大提高汽车和轨道车辆的被动防护能力以及直升机和航空航天飞行器的抗坠毁能力，在保护人生安全、财产安全方面发挥着重要作用。例如汽车的保险杠总成，保险杠总成主要由防撞梁、吸能管、连接板等组成，并通过螺栓连接到车身上，拆卸方便利于维修，整个保险杠总成在低速碰撞中对车辆起到主要的保护作用，吸能管在低速碰撞中吸收大部分的能量，是汽车碰撞的主要吸能元件之一，在约束质量和尺寸的前提下，优化设计吸能管的耐撞性能，对轻量化过程中提高汽车的被动安全性能有着重要意义。
目前汽车吸能管主要由金属薄壁管件制成，在碰撞过程中，吸能管主要依靠自身的塑性变形来吸收车辆碰撞中的冲击动能，但是普通圆形金属薄壁管件的吸能效率较低，即比吸能值太小。
碳纤维树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、耐腐蚀、易加工、可设计性好等优点，广泛应用于航空航天、轨道交通、能源等领域，碳纤维复合材料结构在受到碰撞冲击时，复合材料不是通过塑料变形吸收能量，而是变成无数细小的碎片，因而可以吸收大量冲击能量，大约是钢结构的4倍，具有高安全性，所以选择复合材料制造吸能管是提高其吸能效率的有效途径之一。
目前还没有基于碳纤维树脂基复合材料的仿生多胞吸能管结构文献公开。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种高比吸能的仿生复合材料结构和制造方法，能大幅度提高吸能管的吸能效率。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高比吸能的仿生复合材料结构，包括正六边形外管1、正六边形内管2、肋板3和圆管4四个部分，正六边形外管1和正六边形内管2通过肋板3连接，正六边形外管1、正六边形内管2的顶点连接处采用圆管4的结构形式，整体形成致密的蜘蛛网结构。
所述的正六边形外管1、正六边形内管2、肋板3和圆管4采用同种纤维增强树脂基复合材料，或采用两种不同的纤维增强树脂基复合材料。
所述的仿生复合材料结构的横截面构型的几何尺寸符合下述公式：
L1＝2L2＝2L，L＞D
其中L1为正六边形外管1边上两圆管4的中心距离，L2为正六边形内管2边上两圆管4的中心距离，L为肋板3上两圆管4的中心距离，D为圆管4直径。
所述的仿生复合材料结构的高度H根据实际吸能要求选择。
所述的一种高比吸能的仿生复合材料结构的制造方法，利用组合模具以及真空袋成型工艺制备，具体为，首先利用3D打印技术或机械加工方式进行模具制造，按照预先设计对碳纤维预浸带进行裁剪，得到不同角度待缠绕的碳纤维预浸带；然后将碳纤维预浸带缠绕至模具表面，再将所有缠绕好碳纤维预浸带的模具进行合模，采用真空袋成型工艺进行固化，对固化后的制品脱模即得到高比吸能的仿生复合材料结构。
影响仿生复合材料结构吸能效果的结构特征参数为：碳纤维预浸料的铺放角度；碳纤维预浸料的层数，即仿生复合材料结构的厚度；正六边形内管2边上两圆管4的中心距离以及圆管4直径。
所述的真空袋成型工艺，从室温以0.5-1℃/min的升温速率升温至80℃保温60min，再以0.5-1℃/min升温至120℃，在120℃条件下保温90min，自然降温至室温脱模，固化过程中真空压力不小于0.8bar。
所述的缠绕是将不同角度的纤维增强预浸带逐层周向数圈连续包裹在不同形状的模具外表面。
所述的纤维增强预浸带为碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)以及混杂纤维增强复合材料(HFRP)等系列纤维增强复合材料。
本发明的有益效果为：
本发明从高效吸能特性和结构轻量化等实际工程角度出发，采用碳纤维树脂基复合材料作为吸能结构材料，并根据复合材料薄壁构件在压缩过程中的破坏特点，设计铺层角度和铺层厚度，在正六边形内、外管之间加入肋板，使正六边形内、外管在破坏过程中产生协同作用，实现渐进式破坏吸能。
附图说明
图1为本发明结构的示意图。
图2为本发明结构的截面图。
图3为本发明结构的制备方法流程图。
图4为实施例的铺层方式示意图。
图5为实施例的载荷-位移曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细描述。
实施例1，如图1、图2所示，一种高比吸能的仿生复合材料结构，包括正六边形外管1、正六边形内管2、肋板3和圆管4，正六边形外管1和正六边形内管2通过肋板3连接，正六边形外管1、正六边形内管2的顶点连接处采用圆管4的结构形式，整体形成致密的蜘蛛网结构，具有很强的稳定性，局部的破坏不会使得整个结构失效。本实施例使用45°倒角的触发方式，以促进仿生复合材料吸能管实现渐进式破坏。
所述的仿生复合材料结构的横截面构型的几何尺寸符合下述公式：
L1＝2L2＝2L，L＞D
其中L1为正六边形外管1边上两圆管4的中心距离，L2为正六边形内管2边上两圆管4的中心距离，L为肋板3上两圆管4的中心距离，D为圆管4直径。
所述的仿生复合材料结构的高度H根据实际吸能要求选择，本实施例高度H为80mm，壁厚t为1.5mm，正六边形外管1边上两圆管4的中心距离L1为32mm，正六边形内管2边上两圆管4的中心距离L2＝16mm，圆管4直径D为8mm，肋板3上两圆管4的中心距离L为16mm。
如图3所示，一种高比吸能的仿生复合材料结构的制造方法，利用组合模具以及真空袋成型工艺制备，具体为，首先利用3D打印技术或机械加工方式进行模具制造，根据几何形状的不同，模具可以分为A类，B类和C类三种，其次按照预先设计对碳纤维预浸带进行裁剪，得到不同角度待缠绕的碳纤维预浸带；然后将碳纤维预浸带缠绕至模具表面，再将所有缠绕好碳纤维预浸带的模具进行合模，采用真空袋成型工艺进行固化，对固化后的制品脱模即得到高比吸能的仿生复合材料结构。本实施例需要如图3所示的三种模具，其中A类模具需要6个，B类模具需要1个，C类模具需要12个。
所述的真空袋成型工艺，从室温以0.5-1℃/min的升温速率升温至80℃保温60min，再以0.5-1℃/min升温至120℃，在120℃条件下保温90min，自然降温至室温脱模，固化过程中真空压力不小于0.8bar。
本实施例采用T700单向碳纤维预浸料，单层厚度为0.125mm，0°方向拉伸强度为2100-2400MPa，0°方向的拉伸模量为120-130GPa，0°方向上的压缩强度为1000-1200MPa，0°方向上的压缩模量为120-130GPa，0°方向上的层间剪切强度为60-70MPa。
实施例的有效压溃位移均设定为50mm，加载速率为2mm/min，选取初始峰值载荷(IPCF)，比吸能(SEA)，平均压溃力(Pm)以及压溃力效率(CLE)等指标作为本实施例吸能特性的评定指标。
实施例包含两组试验，如图4所示，试验1中白色区域的铺层顺序为[±45°/±30°/±15°]s，黑色区域的铺层顺序为[0°]6；试验2中白色区域的铺层顺序为[(+45°)3(-45°)3]s，黑色区域的铺层顺序为[0°]6，两组试验的载荷-位移曲线如图5所示。
由图5可知，两组曲线的趋势基本相同，随着位移的增加，载荷逐渐增大至初始峰值载荷，但是之后曲线并没有较为明显的下降，仍然在较高的水平波动，从而能吸收更多的能量，这是不同于典型的复合材料吸能管的载荷-位移曲线。实施例的吸能性能评定指标如表1所示，
表1：实施例的吸能性能评定指标
根据表1的计算结果可以看出，试验1的初始峰值载荷和平均压溃载荷均高于试验2，这是由于白色区域铺层角度不同导致的差异；试验1的比吸能略高于试验2，但相对于普通圆管(40.69J/g)都有很大的提高，分别提高了49.23％和34.26％；就压溃力效率而言，试验1略高于试验2，提高了6.26％。因此，相比于普通复合材料圆管，本发明展现出更加优异的吸能特性。
