CN111010638A - 一种具有负泊松比效应的耳帽及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有负泊松比效应的耳帽及其设计方法，包括具有负泊松比效应的耳帽表面和耳帽根部；所述耳帽表面为圆罩形，所述耳帽根部为圆柱形；所述耳帽表面和耳帽根部为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构。本发明其产生负泊松比效应的关键在于耳帽表面和根部的负泊松孔洞结构的设计。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，使耳帽表面和根部具有负泊松比效应，从而使得耳帽整体也具有负泊松比效应。通过该方法所设计出的耳帽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，所设计的负泊松比耳帽不仅能在轴向拉伸压缩下表现出负泊松比性能，同时在弯曲作用下也能表现负泊松比性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过设计具有负泊松比穿孔结构来设计具有负泊松比效应的耳帽，并提出了负泊松比耳帽的设计方法，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于传统材料的力学特性，其在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀)。相较于传统材料，负泊松比材料在很多方面都具有优势，如剪切模量、抗断裂性能、抗缺口性能、吸能与耗能、回弹韧性等。正是由于这些优异的性能，负泊松比材料在医疗领域、隔音材料、电磁材料、防护装备及军事领域等诸多方向具有越来越广阔的应用前景。
目前负泊松比材料已取得不少成果，不仅有诸多多孔结构，如椭圆形、三角形、多边形、旋转正方形及双箭头形等，而且有密封的酒窝形结构。传统工艺无法完成对如此精密结构的制造，但3D打印技术的出现极大地扩大了科研的广度和深度，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。设计和制造的负泊松比材料基材大多为橡胶，具有较好的承载能力和抗冲击能力。负泊松比耳帽是将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进行负泊松比耳帽的设计制造。现如今耳机已成为人们日常生活不可或缺的设备，对佩戴耳机的舒适程度也是人们的重要指标之一。当耳机佩戴时间较长时，会造成佩戴者耳朵的肿胀甚至疼痛，并且佩戴方式不当也会造成耳机的脱落。本发明将负泊松比孔洞结构和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耳帽，其能在轴向受拉和受压的工况下分别表现出负泊松比变形性能。与传统耳帽相比，负泊松比耳帽具有更好的舒适性和易***难跌落的性能，因而具有非常强的实用性。
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，设计和制造了具有实用性的负泊松比耳帽，并提出了具体设计方法，设计的耳帽具有比传统耳帽更好的变形性、散热性和舒适性。
本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的耳帽，包括具有负泊松比效应的耳帽表面和耳帽根部；所述耳帽表面为圆罩形，所述耳帽根部为圆柱形；
所述耳帽表面和耳帽根部为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；
所述耳帽表面的厚度D和耳帽根部的厚度d的关系满足：0＜D/d＜1；
所述耳帽表面的直径R和耳帽根部的圆柱直径r的关系满足：5＞R/r＞3；
所述耳帽表面的厚度D与耳帽根部的圆柱厚度d的关系满足：1＜d/D＜2；
所述耳帽根部的圆柱直径r和耳帽根部的高度h1的关系满足：2＜h1/r＜4；
所述耳帽根部的圆柱直径r和耳帽根部的厚度d的关系满足：0.05＜d/r＜0.25；
所述耳帽表面的直径R和耳帽表面的高度h2的关系满足：0.75＜h2/R＜1.5。
作为优选，所述孔洞包括椭圆形、多边形(包括三角形、旋转正方形)和双箭头形。
上述一种具有负泊松比效应的耳帽的设计方法，包括以下步骤：
1)确定耳帽各组成部分的形状和尺寸，包括耳帽表面直径R、耳帽表面厚度D、耳帽表面高度h2以及耳帽根部圆柱直径r、耳帽根部厚度d和耳帽根部高度h1；
2)设计耳帽表面和耳帽根部具有周期性横竖交替的孔洞结构，并使耳帽的在满足3D打印要求的情况下，耳帽表面和耳帽根部孔洞空隙的间距尽量小；
3)采用3D打印技术制作出具有负泊松比效应的耳帽，该耳帽具有较好的变形特性、散热性和舒适性，符合实际使用的需求。
4)根据现场实验测试耳帽的负泊松比性能，挑选出符合实际尺寸和使用需求的耳帽。
本发明其产生负泊松比效应的关键在于耳帽表面和根部的负泊松孔洞结构的设计。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，使耳帽表面和根部具有负泊松比效应，从而使得耳帽整体也具有负泊松比效应。通过该方法所设计出的耳帽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，所设计的负泊松比耳帽不仅能在轴向拉伸压缩下表现出负泊松比性能，同时在弯曲作用下也能表现负泊松比性能。
有益效果：本发明利用该方法设计出的耳帽具有较大的负泊松比效应且能同时在轴向拉伸、压缩和弯曲下表现出负泊松比效应，其在使用方面相交于传统耳帽具有更好的变形性、散热性和舒适性，更好地适应实际应用的需求。
附图说明
图1为本发明具有负泊松比效应的耳帽示意图；
图2为本发明具有负泊松比效应的耳帽俯视图；
图3为本发明耳帽表面的示意图；
图4为本发明耳帽根部的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明做进一步描述：
如图1-4所示，一种具有负泊松比效应的耳帽，包括具有负泊松比效应的耳帽表面1和耳帽根部2；所述耳帽表面1为圆罩形，所述耳帽根部2为圆柱形；
所述耳帽表面1和耳帽根部2为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；所述孔洞包括椭圆形、多边形(包括三角形、旋转正方形)和双箭头形；
所述耳帽表面1的厚度D和耳帽根部2的厚度d的关系满足：0＜D/d＜1；
所述耳帽表面1的直径R和耳帽根部2的圆柱直径r的关系满足：5＞R/r＞3；
所述耳帽表面1的厚度D与耳帽根部2的圆柱厚度d的关系满足：1＜d/D＜2；
所述耳帽根部2的圆柱直径r和耳帽根部2的高度h1的关系满足：2＜h1/r＜4；
所述耳帽根部2的圆柱直径r和耳帽根部2的厚度d的关系满足：0.05＜d/r＜0.25；
所述耳帽表面1的直径R和耳帽表面1的高度h2的关系满足：0.75＜h2/R＜1.5。
上述一种具有负泊松比效应的耳帽的设计详细步骤为：
1、确定耳帽各组成部分的形状和尺寸；
根据耳机机型，确定设计的耳帽各组成尺寸，如耳帽表面直径R、耳帽表面高度h2、耳帽表面厚度D、耳帽根部圆柱直径r、耳帽根部圆柱高度h1、耳帽根部圆柱厚度d；
2、设计具有周期横竖交替孔洞的穿孔结构，其孔状结构包括：①椭圆形；②三角形；③旋转正方形④双箭头形；在耳帽满足3D打印要求的情况下，尽量减小孔洞的间距；
3、采用3D打印技术生成所设计的具有负泊松比效应的耳帽。
4、根据现场实验测试耳帽的负泊松比性能，挑选出符合实际尺寸和使用需求的耳帽。
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。本事例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种具有负泊松比效应的耳帽，其特征在于：包括具有负泊松比效应的耳帽表面和耳帽根部；所述耳帽表面为圆罩形，所述耳帽根部为圆柱形；
所述耳帽表面和耳帽根部为具有周期性横竖交替的孔洞的管状结构；
所述耳帽表面的厚度D和耳帽根部的厚度d的关系满足：0＜D/d＜1；
所述耳帽表面的直径R和耳帽根部的圆柱直径r的关系满足：5＞R/r＞3；
所述耳帽表面的厚度D与耳帽根部的圆柱厚度d的关系满足：1＜d/D＜2；
所述耳帽根部的圆柱直径r和耳帽根部的高度h1的关系满足：2＜h1/r＜4；
所述耳帽根部的圆柱直径r和耳帽根部的厚度d的关系满足：0.05＜d/r＜0.25；
所述耳帽表面的直径R和耳帽表面的高度h2的关系满足：0.75＜h2/R＜1.5。
2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的耳帽，其特征在于：所述孔洞包括椭圆形、三角形、旋转正方形和双箭头形。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有负泊松比效应的耳帽的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)确定耳帽各组成部分的形状和尺寸，包括耳帽表面直径R、耳帽表面厚度D、耳帽表面高度h2以及耳帽根部圆柱直径r、耳帽根部厚度d和耳帽根部高度h1；
2)设计耳帽表面和耳帽根部具有周期性横竖交替的孔洞结构，并使耳帽的在满足3D打印要求的情况下，耳帽表面和耳帽根部孔洞空隙的间距尽量小；
3)采用3D打印技术制作出具有负泊松比效应的耳帽；
4)根据现场实验测试耳帽的负泊松比性能，挑选出符合实际尺寸和使用需求的耳帽。
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