[发明专利]基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构

说明书

技术领域

本发明涉及结构材料领域，尤其是一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构。

背景技术

多孔玻璃海绵生长于深海中，是一种古老的生物，经过漫长岁月的进化，它们的骨骼已形成十分独特的多孔结构。它的壁厚通常只有1-2mm，最长却可以生长到2m，它们的躯干十分坚硬，为了防止被洋流折断和卷走，形成了一种能有效承受载荷的高强度多孔骨架结构，近年来成为各国学者研究轻质高强结构的理想仿生模板。

多孔玻璃海绵的体壁呈圆筒状，由经向骨针、纬向骨针和螺旋骨针互相交织构成，形成无数小孔，称为壁孔。体外壁有锯齿状的隆起，称为壁脊。科学家通过观测其骨骼的微观结构，发现其骨骼由硅质骨针构成，骨针往往连接形成立体格栅，构成独特的网格结构。这种网格结构有两种网孔，一种是八角形网孔，另一种是斜“井”字网孔，两种网孔交替排列，形成整个骨骼的网格结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，在相同质量情况下具有更优的抗压和抗扭性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，包括：0°支撑筋、90°支撑筋、45°螺旋支撑筋和-45°螺旋支撑筋；四种支撑筋交接形成八角网孔-斜“井”字网孔交替的网格结构。

优选的，0°支撑筋和90°支撑筋将胞元分为a、b、c和d4个小单元，对角的2个单元完全相同。

优选的，每个小单元内均有4根螺旋支撑筋，4根螺旋支撑筋直接与边界交接构成正八边形，或先交接形成斜“井”字再与边界交接。

优选的，在管状结构的外壁增加正向和反向的双螺旋外脊，脊峰夹角45°；每一正或反螺旋脊在上升半圈之后转角90°，再反或正螺旋上升。

优选的，管状结构作为夹芯层或加强筋与内外蒙皮连接形成夹芯管或加筋管。

优选的，管状结构作为加强筋与内蒙皮连接形成加筋管。

本发明的有益效果为：采用本发明管状结构的轻质夹芯管与传统的蜂窝夹芯管相比，在相同质量情况下具有更优的抗压和抗扭性能，从材料结构的层面上解决航空航天领域对管(筒)状材料轻量化的需求。

附图说明

图1是本发明的基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构的三维示意图。

图2是本发明的基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构网孔二维展开示意图。

图3是本发明的外壁加螺旋脊、基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构的三维示意图。

图4是本发明的外壁加螺旋脊、基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管的加脊结构网孔二维展开示意图。

图5是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为夹芯，内外表面附有蒙皮的夹芯管示意图。

图6是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为加强筋，外表面附有蒙皮的加筋管的局部示意图。

图7是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为加强筋，内表面附有蒙皮的加筋管示意图。

图8是以外壁加螺旋脊、基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为加强筋，内表面附有蒙皮的加筋管示意图。

图9是作为参照轻质管，基于蜂窝结构的仿生多孔轻质管状结构三维示意图。

图10是仿玻璃海绵多孔轻质管状结构与蜂窝管状结构的压缩载荷-位移曲线对比图。

图11是仿玻璃海绵多孔轻质管状结构与蜂窝管状结构的扭矩-角位移曲线对比图。

图12是仿玻璃海绵多孔轻质管状结构与蜂窝管状结构的悬臂弯矩-位移曲线对比图。

图13是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为夹芯，内外表面附有蒙皮的夹芯管与蜂窝夹芯管的压缩-位移曲线对比图。

图14是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为夹芯，内外表面附有蒙皮的夹芯管与蜂窝夹芯管的扭转-角位移曲线对比图。

图15是以基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构为夹芯，内外表面附有蒙皮的夹芯管与蜂窝夹芯管的悬臂弯曲-位移曲线对比图。

其中，1、0°支撑筋；2、90°支撑筋；3、45°螺旋支撑筋；4、-45°螺旋支撑筋；5、外壁螺旋脊；6、夹芯层或加强筋；7、内蒙皮；8、外蒙皮；9、蜂窝夹芯孔。

具体实施方式

如图1所示，一种基于玻璃海绵的仿生多孔轻质管状结构，由四个方向交叉的支撑筋螺旋缠绕构成；包括0°支撑筋、90°支撑筋、45°螺旋支撑筋和-45°螺旋支撑筋；四种支撑筋交接形成八角网孔-斜“井”字网孔交替的网格结构。