CN109210054A - 一种具有负泊松比效应的钉子及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有负泊松比效应的钉子及其设计方法，包括钉子的头部、杆部以及尾部的匹配设计。负泊松比钉子在打入时受压杆部变细而更容易打入，在拔出时受拉***不易拔出，比普通钉子更具耐用性和实用性。简要操作步骤为：首先，确定所采用的3D打印机能够精确打印的最小尺寸；然后，设计钉子杆部管状结构的孔洞分布，使该管状结构具有负泊松比效应，设计时应当注意钉子各部分尺寸不应小于3D打印机所能打印的最小尺寸；进一步设计与管状结构相匹配的钉子头部和尾部，完成负泊松钉子的整体设计，采用3D打印技术制作所设计的钉子。本发明方法设计出的钉子被证明具有很强的新颖性和实用性。

Description

一种具有负泊松比效应的钉子及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种通过设计具有负泊松比管状结构来设计具有负泊松比效应的钉子，并提出了负泊松比钉子的设计方法，属于新材料和新结构领域。

背景技术

负泊松比材料和结构具有不同寻常的力学特性，与传统材料的压胀拉缩不同，负泊松比材料在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀)。负泊松比材料具有许多理想特性，在抗剪承载力、抗断裂性能、吸能耗能能力、抗凹陷性能等方面比传统材料更有优势。正是由于这些优异的性能，负泊松比材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域具有越来越广阔的应用前景。近年来，越来越多的研究者投身到负泊松比相关产品的设计和研发中。

负泊松比材料的发展已有三十多年，取得了不少成果。但是，大多数现有文献仍然还是基于二维的负泊松比材料研究。三维负泊松比材料多为内部构造复杂的多孔结构，由于过去制造技术的落后，真正运用于实际的三维负泊松比材料很少。3D打印技术，亦被称为增材制造技术，它的出现很好的解决了这个问题，此项技术也被认为是第三次工业革命的标志。利用这一新技术，可以打印形状复杂的三维负泊松比材料和结构。以往设计和制造的负泊松比材料基材大多为橡胶，承载能力和抗冲击能力较弱。金属超材料力学性能一般都强于弹性体超材料。将具有更好力学性能的三维金属负泊松比材料和先进的3D打印技术相结合生产出具有实际应用价值的负泊松比产品，具有现实意义。

负泊松比紧固件是将金属负泊松比材料应用于实际的一条思路，根据负泊松比拉胀压缩的特性，Choi率先提出采用负泊松比材料制成的紧固件具有比传统紧固件更容易打入更难拔出的特性。受此启发，发明人提出负泊松比钉子的设想。其在敲入时变细而拔出时***，如图1所示。本发明将负泊松比管状结构和3D打印制造工艺相结合，设计和制作首个具有负泊松比效应的钉子，其能在大的拉伸和压缩应变下均表现出负泊松比特性。与传统螺钉相比，负泊松比钉子更易于施工且更耐久，具有非常重要的科学意义和一定的应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，将结构优化和3D打印技术相结合，设计和制造了具实用性的负泊松比钉子，并提出了具体设计方法，设计的钉子具有比传统钉子更好的易推入和耐拔性能。

本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的钉子，包括钉子头部、钉子杆部和钉子尾部的负泊松比设计和匹配设计。

所述钉子杆部为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构。

所述钉子头部为圆柱形，其厚度h和圆柱直径D₁的关系满足：5.5＞D₁/h＞2。

所述钉子杆部的圆管外径D₂与钉子头部直径D₁的关系满足：3＞D₁/D₂＞1.6。

所述钉子杆部圆管长度L与圆管外径D₂的关系满足：8＞L/D₂＞1.5。

所述钉子杆部的圆管厚度/圆管长度＞0.05。

所述钉子尾部的锥体结构截面边长与钉子中轴线的夹角θ满足：32°≥θ≥15°。

作为优选，所述钉子杆部满足：0.15＞圆管厚度/圆管长度＞0.08。

作为优选，所述孔洞结构包括椭圆形、三角形和多边形。

上述一种具有负泊松比效应的钉子的设计方法，包括以下步骤：

1)确定钉子各组成部分的形状和尺寸，包括钉子总长、钉子头部的形状和尺寸、钉子杆部的长度和直径、钉子尾部的角度；

2)设计钉子杆部的具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构，并使钉子杆部的在满足3D打印要求的情况下，杆部空隙的间距尽量小；

3)采用3D金属打印技术制作出具有负泊松比效应的钉子，该钉子具有高抗压强度和较低抗拉强度，符合实际使用的需求；

4)用此方法所生成的钉子杆部的圆管在受单轴拉伸时具有负泊松比效应，若要使通过该方法设计的圆管在单轴压缩的情形下也具有负泊松比效应，圆管的厚度需要超过一定的临界值，需满足：圆管厚度/圆管长度＞0.05。

本发明其产生负泊松比效应的关键在于钉子杆部的负泊松比管状结构的设计。在满足3D打印制作要求的情况下，保证横竖交替的孔状结构足够小，使钉子的杆部圆管具有负泊松比效应，从而使得钉子整体也具有负泊松比效应。通过该方法能设计出的钉子具有明显的负泊松比效应，同时能在大的应变范围内维持负泊松比性能。此外，所设计的负泊松比钉子不仅能在轴向拉伸下表现出负泊松比性能，同时在轴向压缩的情况下也能表现负泊松比性能。

本发明的有益效果：利用该方法设计出的钉子具有较大的负泊松比效应且能同时在轴向压缩和拉伸下表现出负泊松比效应，其在打入时比传统钉子更加容易，且具有牢固不易拔出的特点。由于实际钉子在使用时受到的轴向推入压力常大于轴向拔出拉力，本发明设计的钉子具有大抗压强度和低抗拉强度的特点，更好地适应实际应用的需求。

附图说明

图1a为具有负泊松比效应的钉子结构示意图；

图1b为图1a的横截面图。

图2为具有负泊松比效应的钉子效果图；

图2b为图2a的侧视图；

图2c为图2a的截面图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步描述：

如图1和2所示，一种具有负泊松比效应的钉子，包括钉子头部1、钉子杆部2和钉子尾部3；

所述钉子头部1的厚度h和圆柱直径D₁满足：5.5＞D₁/h＞2；

所述钉子杆部的圆管外径D₂与钉子头部直径D₁满足：3＞D₁/D₂＞1.6；

所述钉子杆部圆管长度L与圆管外径D₂满足：8＞L/D₂＞1.5；

所述钉子杆部2为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；

所述钉子杆部2满足：0.15＞圆管厚度/圆管长度＞0.08；

所述钉子尾部3满足：32°≥θ≥15°；

上述一种具有负泊松比效应的钉子的设计详细步骤为：

1、确定钉子各组成部分的形状和尺寸；

根据用途，确定设计的钉子各组成尺寸，如钉子总长H、钉子头部设计(直径D1、厚度h)、钉子杆部设计(长度L、外径D2、厚度T)和钉子杆部末端角度，如图1所示。

2、设计具有周期横竖交替孔洞的钉子杆部，其孔状结构包括：①椭圆形(如图2所示)；②三角形；③多边形。在钉子杆部满足3D打印要求的情况下，尽量减小杆部孔洞的间距；

3、采用3D打印技术生成所设计的具有负泊松比效应的钉子。

4、所设计的负泊松比钉子不仅能在轴向拉伸下表现出负泊松比性能，同时在轴向压缩的情况下也能表现负泊松比性能，钉子杆部需满足：圆管厚度/圆管长度＞0.05。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种具有负泊松比效应的钉子，其特征在于：包括钉子头部、钉子杆部和钉子尾部，上述各部件之间具有以下的匹配设计：

所述钉子杆部为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；

所述钉子头部为圆柱形，其厚度h和圆柱直径D1的关系满足：5.5＞D1/h＞2；

所述钉子杆部的圆管外径D2与钉子头部直径D1的关系满足：3＞D1/D2＞1.6；

所述钉子杆部圆管长度L与圆管外径D2的关系满足：8＞L/D2＞1.5；

所述钉子杆部的圆管厚度/圆管长度＞0.05；

所述钉子尾部的锥体结构截面边长与钉子中轴线的夹角θ满足：32°≥θ≥15°。

2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的钉子，其特征在于：所述钉子杆部满足：0.15＞圆管厚度/圆管长度＞0.08。

3.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的钉子，其特征在于：所述孔洞结构包括椭圆形、三角形和多边形。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种具有负泊松比效应的钉子的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)确定钉子各组成部分的形状和尺寸，包括钉子总长、钉子头部的形状和尺寸、钉子杆部的长度和直径、钉子尾部的角度；

2)设计钉子杆部的具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构，并使钉子杆部的在满足3D打印要求的情况下，杆部空隙的间距尽量小；

3)采用3D金属打印技术制作出具有负泊松比效应的钉子，该钉子具有高抗压强度和较低抗拉强度，符合实际使用的需求；

4)用此方法所生成的钉子杆部的圆管在受单轴拉伸时具有负泊松比效应，若要使通过该方法设计的圆管在单轴压缩的情形下也具有负泊松比效应，圆管的厚度需要超过一定的临界值，需满足：圆管厚度/圆管长度＞0.05。