一种波纹-折纸多级夹芯吸能结构及其制备方法
技术领域
本发明属于轻质多孔吸能结构技术领域，具体涉及一种波纹-折纸多级夹芯吸能结构及其制备方法，可作为一种新型的轻质高强吸能构件应用于航天航空、车辆、船舶、军用装甲等行业中。
背景技术
近年来，随着工业装备、材料制备及机械加工技术的发展，各种各样的轻质多孔材料作为一类新型多功能材料而大量涌现，它具有结构功能一体化的特性，并且易实现多功能集成。与传统材料相比，轻质多孔材料具有千变万化的微结构和较高的孔隙率，按照其芯体微结构规则程度的不同，可大致分为无序和有序两大类：前者包括泡沫化材料(如金属泡沫、陶瓷泡沫、有机泡沫等)和纤维化材料(如纤维毡等)，后者主要包括二维点阵结构(如波纹板结构、蜂窝结构等)、三维桁架结构(如金字塔结构、四面体结构、方形直杆结构等)和三维折纸结构(如Miura-Ori结构等)。其中，三维折纸结构是根据中国传统而古老的折纸工艺演化而来，在多种加载工况下具有良好的力学性能，还克服了传统蜂窝结构所普遍存在的水分积聚问题。
波纹结构的研究已经较为成熟，其结构形式略为单一，达到承载极限后结构容易发生失稳，承载吸能收到限制。而折纸结构中经典的Miura-Ori结构内相邻两块倾斜板在相交处由于相交棱的存在增加了变形约束，其承载能力得到显著提升，然而两者又都存在后续变形中能量吸收能力不足的缺陷。多级结构复合以及混杂设计的理念往往不但会实现两种结构或材料优势性能的整合，还有可能产生新的有益效果。通过本专利独特设计将折纸结构与波纹结构混杂复合，可以弥补现行结构力学性能的不足，从而获得力学性能大幅提升的新型吸能结构。
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，提供一种波纹-折纸多级夹芯吸能结构及其制备方法，将波纹结构与Miura-Ori折纸结构复合在一起，从而改善结构整体力学性能，使其同时具有优异的承载、抗屈曲和能量吸收的特点。
本发明采用以下技术方案：
一种波纹-折纸多级夹芯吸能结构，包括波纹-折纸多级结构芯体，波纹-折纸多级结构芯体包括多个波纹-折叠多级结构单胞，多个波纹-折叠多级结构单胞周期排列设置在上面板和下面板之间，波纹-折叠多级结构单胞的一级结构为折纸结构，二级结构为波纹结构，每个波纹-折叠多级结构单胞包括四块倾斜设置的波纹夹芯板。
具体的，波纹-折叠多级结构单胞内左右相邻的波纹夹芯板在连接处一共形成四条棱线，内侧两条棱线相交于上面板和下面板处，四条棱线与下面板之间所成锐角大小相同，为30～60°。
进一步的，波纹-折叠多级结构单胞关于过四条棱线的中间轴面对称分布。
具体的，波纹-折叠多级结构单胞的俯视图呈人字形，人字的夹角为60～120°。
具体的，波纹夹芯板内的波纹通道可调。
具体的，波纹夹芯板内部的波纹形式为三角形、梯形、正弦形或帽形。
具体的，上面板和下面板均为单层面板。
本发明的另一个技术方案是，一种制备波纹-折纸多级夹芯吸能结构的方法，首先绘制所述波纹-折纸多级夹芯吸能结构数据模型，然后对数据模型数字化横截面切片得到切片数据，将切片数据导入3D打印机，根据情况选取金属粉末原料，通过3D打印机一体化加工成型，得到波纹-折纸多级夹芯吸能结构。
具体的，包括以下步骤：
S1、确定波纹-折纸多级夹芯吸能结构相关可调几何参数，绘制波纹-折纸多级夹芯吸能结构的三维数据模型，将三维数据模型转换为STL格式数据并导出，相关可调几何参数包括一级折纸结构中倾斜波纹板的两边长，倾斜波纹板与水平面所夹锐角角度，人字形夹角角度，二级波纹结构在特定波纹形状下的独立几何参数，面板厚度和波纹厚度；
S2、对步骤S1得到的STL格式数据的数据模型进行数字化横截面切片，得到三维数据模型的切片数据；
S3、确定3D打印工艺参数，选取金属粉末原料，根据步骤S2得到的三维数据模型的切片数据进行3D逐层打印，得到波纹-折纸多级夹芯吸能结构。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种新型波纹-折纸多级夹芯吸能结构，由多个周期排列的波纹-折纸多级结构单胞组成芯体，设置在上面板和下面板之间，每个波纹-折纸多级结构单胞包括四块倾斜的波纹夹芯板，结构在承受面外压缩载荷时，在载荷初期由于波纹-折叠多级结构的引入使得芯体内各个子结构平板的边界约束得到相互加强，有效改善结构的抗屈曲性能，结构峰值应力提升；结构内部有大量空间，不易密实，其压缩密实化应变得到延长，能量吸收行程提高；而在结构大变形过程中大量波纹又直接参与塑性变形使得结构出现较高的平台应力，从而使能量吸收能力进一步得到强化。在面外压缩载荷作用下，波纹-折纸多级夹芯吸能结构的峰值应力较对应的等质量Miura-Ori折纸夹芯板结构提升了34.56％，密实化应变提升约94.83％，能量吸收提升约342.23％。
进一步的，波纹-折叠多级结构单胞的一级结构为折纸结构，二级结构为波纹结构，两种结构都是工程中极具竞争力的承载结构，结构形式简单，几何参数明晰，研究较为充分，易于制造及推广。
进一步的，四个倾斜的波纹夹芯板包含两个面板和面板之间的波纹芯体，纹芯体为两个面板提供了有力支撑，从而在载荷初期提升了结构的承载能力，而在结构的后屈曲过程中，波纹芯体大变形又形成了相当数量的塑性铰，提升了结构的能量吸收能力。
进一步的，四个倾斜的波纹夹芯板，其俯视图呈“人字形”，夹角为60～120°，在便于设计制造的同时，保证了“人字形”两边的倾斜波纹板可以因折叠产生足够的约束和相互作用，从而提升结构抗屈曲能力，以及扩大了在大变形过程中变形区域，提升结构能量吸收能力。
进一步的，结构引入的波纹通道方向可调，有利于结构性能调节设计和多功能集成。
进一步的，结构引入的波纹形式为三角形、梯形、正弦形或帽形，具有较强的灵活性，同时结构性能的可设计性提高。
本发明还公开了一种波纹-折纸多级夹芯吸能结构的制备方法，采用3D打印技术对结构实现一体化成型，使得波纹-折纸多级夹芯吸能结构可实现复杂构型设计及调整，设计性、灵活性增强，简化了制备步骤，节省人力和时间，同时避免了传统芯体与上下面板之间的界面连接强度降低风险及复杂的多工序流转。
进一步的，3D打印可以选用激光选区熔融(SLM)、激光选区烧结(SLS)、电子束熔融(EBM)等多种3D打印制造技术，灵活性、可选择性强；3D打印金属粉末原料选用灵活，可以充分发挥材料优势进而提升结构性能。
综上所述，本发明实现波纹与折纸结构的复合设计及制备，得到一种波纹-折纸多级夹芯吸能结构，具有高承载、抗屈曲和能量吸收能力强的特点，可设计性强，制备灵活，在航空航天、船舶、高端装备及国防军事领域具有广泛的应用前景。
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为本发明的波纹-折纸多级夹芯吸能结构示意图；
图2为本发明波纹-折纸多级夹芯吸能结构中芯体单胞结构示意图；
图3为本发明波纹-折纸多级夹芯吸能结构中芯体的波纹二级结构中引入不同波纹形式的结构示意图，其中，(a)为三角形波纹，(b)为梯形波纹，(c)为正弦形波纹，(d)为帽形波纹；
图4为本发明波纹-折纸多级夹芯吸能结构与其相对应的等质量常规Miura-Ori折纸夹芯板在面外压缩载荷下的应力-应变曲线及能量吸收效率曲线图。
其中：1.上面板；2.下面板；3.波纹-折叠多级结构芯体；4.波纹夹芯板；5.波纹夹芯板的覆盖面板；6.波纹夹芯板的波纹芯体。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
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。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图1，本发明提供了一种波纹-折纸多级夹芯吸能结构及其制备方法，包括上面板1、下面板2和波纹-折纸多级结构芯体3；波纹-折纸多级结构芯体3包括多个波纹-折叠多级结构单胞，多个波纹-折叠多级结构单胞在上面板1和下面板2之间周期排列；上面板1和下面板2均为单层面板，与中间的波纹-折纸多级结构芯体3连接，整体结构采用3D打印技术一体化成型。
请参阅图2，波纹-折叠多级结构芯体3的每个波纹-折纸多级结构单胞包括两级结构，一级结构为折纸构型，二级结构为波纹夹芯板4，波纹夹芯板4包括四块，四块波纹夹芯板4均倾斜放置；左右相邻的波纹夹芯板4在连接处一共形成四条棱线，其中，内侧两条棱线相交于面板处；四条棱线与下面板2之间的夹角大小相同，为30～60°；芯体中波纹-折纸多级结构单胞的俯视图呈“人字形”结构，“人”字的夹角为60～120°。
波纹夹芯板4包括波纹夹芯板的覆盖面板5和波纹夹芯板的波纹芯体6，波纹夹芯板的波纹芯体6设置在两个波纹夹芯板的覆盖面板5之间，波纹夹芯板的覆盖面板5为单层面板，波纹夹芯板的波纹芯体6的具体形式和通道方向可调，在实施例中通道方向优选为水平方向。
请参阅图3，构成芯体结构单胞的波纹板中，其波纹形式具有可调节性，图中给出了波纹夹芯板的波纹芯体6不同形式下，波纹-折纸多级结构单胞的示意图，其中，(a)为基于三角形波纹的波纹-折纸多级结构单胞，(b)为基于梯形波纹的波纹-折纸多级结构单胞，(c)为基于正弦形波纹的波纹-折纸多级结构单胞，(d)为基于帽形波纹的波纹-折纸多级结构单胞。
本发明一种波纹-折纸多级夹芯吸能结构的制备方法，首先绘制所述波纹-折纸多级夹芯吸能结构数据模型，然后对数据模型数字化横截面切片得到切片数据，将切片数据导入3D打印机，根据情况选取金属粉末原料，通过3D打印机一体化加工成型，得到波纹-折纸多级夹芯吸能结构，具体步骤如下：
S1、根据具体需要和实际情况确定波纹-折纸多级夹芯吸能结构相关可调几何参数，通过商用三维建模软件SolidWorks绘制结构的三维数据模型，并将得到的三维数据模型转换为STL格式数据并导出；
相关可调几何参数包括但不限于一级折纸结构中倾斜波纹板的两边长，倾斜波纹板与水平面所夹锐角角度，人字形夹角角度，二级波纹结构在特定波纹形状下的独立几何参数，面板厚度，波纹厚度。
S2、将步骤S1得到的STL格式数据导入商用模型剖分软件Cura中，对数据模型进行数字化横截面切片，得到三维数据模型的切片数据；
S3、根据具体需要和实际情况制定3D打印机的工艺参数，可调激光器功率约为几十瓦至几百瓦之间，扫描速度约为900-1500毫米每秒之间，并且选取合适的金属粉末原料，比如镍基合金球形粉末IN718、铝合金球形粉末AlSi10Mg、不锈钢球形粉末17-4PH等，之后将步骤S2中得到的三维数据模型的切片数据导入3D打印机逐层打印，得到波纹-折纸多级夹芯吸能结构。
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)运用商用三维建模软件SolidWorks绘制波纹-折纸多级夹芯吸能结构的三维数据模型。上面板为正方形板，边长60mm，厚1mm；下面板为正方形板，边长60mm，厚1mm；组成芯体部分的波纹-折纸多级结构单胞，其几何模型示意如图3(a)，左右相邻的波纹夹芯板在连接处形成的四条棱线与上下面板成60°锐角，俯视图“人”字形夹角为90°；针对二级结构波纹夹芯板，其外部覆盖面板和作为芯体的波纹板壁厚为1mm，波纹芯体为60°的正三角波纹，波纹通道方向为水平向。将绘制好的三维数据模型转换为STL格式数据并导出。
(2)将上一步得到的STL格式数据导入商用模型剖分软件Cura中，对三维数据模型进行数字化横截面切片，得到三维数据模型的切片数据；
(3)将上一步得到的三维数据模型的切片数据导入BLT S310型号3D打印机，采用激光选区熔融(SLM)3D打印技术，以IN718金属粉末为原料，表皮层打印时激光器功率为75W，扫描速度为800mm/s，内填充时激光器功率为305W，扫描速度为960mm/s，最终得到一体化成型的波纹-折纸多级夹芯吸能结构。
实施例2
(1)运用商用三维建模软件SolidWorks绘制波纹-折纸多级夹芯吸能结构的三维数据模型。上面板为正方形板，边长60mm，厚0.5mm；下面板为正方形板，边长60mm，厚0.5mm；组成芯体部分的波纹-折纸多级结构单胞，其几何模型示意如图3(b)，左右相邻的波纹夹芯板在连接处形成的四条棱线与上下面板成30°锐角，俯视图“人”字形夹角为60°；针对二级结构波纹夹芯板，其外部覆盖面板和作为芯体的波纹板壁厚为0.5mm，波纹芯体为60°的等腰梯形波纹，波纹通道方向为水平向。将绘制好的三维数据模型转换为STL格式数据并导出。
(2)将上一步得到的STL格式数据导入商用模型剖分软件Cura中，对三维数据模型进行数字化横截面切片，得到三维数据模型的切片数据；
(3)将上一步得到的三维数据模型的切片数据导入BLT S310型号3D打印机，采用激光选区熔融(SLM)3D打印技术，以IN718金属粉末为原料，表皮层打印时激光器功率为75W，扫描速度为800mm/s，内填充时激光器功率为305W，扫描速度为960mm/s，最终得到一体化成型的波纹-折纸多级夹芯吸能结构。
实施例3
(1)运用商用三维建模软件SolidWorks绘制波纹-折纸多级夹芯吸能结构的三维数据模型。上面板为正方形板，边长60mm，厚0.8mm；下面板为正方形板，边长60mm，厚0.8mm；组成芯体部分的波纹-折纸多级结构单胞，其几何模型示意如图3(c)，左右相邻的波纹夹芯板在连接处形成的四条棱线与上下面板成45°锐角，俯视图“人”字形夹角为120°；针对二级结构波纹夹芯板，其外部覆盖面板和作为芯体的波纹板壁厚为0.8mm，波纹芯体为正弦形波纹，波纹通道方向为水平向。将绘制好的三维数据模型转换为STL格式数据并导出。
(2)将上一步得到的STL格式数据导入商用模型剖分软件Cura中，对三维数据模型进行数字化横截面切片，得到三维数据模型的切片数据；
(3)将上一步得到的三维数据模型的切片数据导入3DS 300型号3D打印机，采用激光选区熔融(SLM)3D打印技术，以17-4PH金属粉末为原料，激光器的功率始终为150W，扫描速度为1200mm/s，最终得到一体化成型的波纹-折纸多级夹芯吸能结构。
实施例4
(1)运用商用三维建模软件SolidWorks绘制波纹-折纸多级夹芯吸能结构的三维数据模型。上面板为正方形板，边长60mm，厚1.5mm；下面板为正方形板，边长60mm，厚1.5mm；组成芯体部分的波纹-折纸多级结构单胞，其几何模型示意如图3(d)，左右相邻的波纹夹芯板在连接处形成的四条棱线与上下面板成60°锐角，俯视图“人”字形夹角为120°；针对二级结构波纹夹芯板，其外部覆盖面板和作为芯体的波纹板壁厚为1.5mm，波纹芯体为帽形波纹，波纹通道方向为水平向。将绘制好的三维数据模型转换为STL格式数据并导出。
(2)将上一步得到的STL格式数据导入商用模型剖分软件Cura中，对三维数据模型进行数字化横截面切片，得到三维数据模型的切片数据；
(3)将上一步得到的三维数据模型的切片数据导入3DS 300型号3D打印机，采用激光选区熔融(SLM)3D打印技术，以17-4PH金属粉末为原料，激光器的功率始终为150W，扫描速度为1200mm/s，最终得到一体化成型的波纹-折纸多级夹芯吸能结构。
参阅图4，波纹-折纸多级夹芯吸能结构的应力应变曲线在其相对应的等质量Miura-Ori折纸夹芯板的应力应变曲线上方，体现出引入波纹夹芯板作为二级结构后对结构的耦合增强作用，大幅度提升了结构的承载、抗屈曲和能量吸收能力；波纹-折纸多级夹芯吸能结构的能量吸收效率曲线的峰值相比其相对应的等质量单级Origami夹芯板能量吸收曲线的峰值大幅延后，从而提升了结构的密实化应变点，增加了结构的能量吸收行程。
根据以上实施例获得的波纹-折纸多级夹芯吸能结构，由于波纹-折叠多级结构的引入，表现出了高承载、抗屈曲和高效吸能的优良综合力学性能。经研究分析发现，在面外压缩载荷作用下，载荷初期，由于波纹-折叠多级结构的引入使得芯体内各个子结构平板的边界约束得到相互加强，提高了结构的抗屈曲和承载性能，改变了结构的变形模式，结构的压缩强度得到提升；在大变形过程中，大量波纹板参与塑性变形，形成塑性铰，且由于内部大量变形空间，结构的密实化应变延后，大幅增强了结构的能量吸收能力。波纹-折纸多级夹芯吸能结构的峰值应力较对应的等质量Miura-Ori折纸夹芯板结构提升了34.56％，密实化应变提升约94.83％，能量吸收提升了约342.23％。
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。
