CN114741811A - 一种变刚度三维内凹负泊松比胞元及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变刚度三维内凹负泊松比胞元及其设计方法，利用二维内凹六边形蜂窝作为基本单元设计而成，通过改变二维内凹蜂窝的尺寸参数，可以对三维结构整体力学性能进行调控，以实现较复杂的三维结构的刚度可调控性。本发明可设计并制备出具有更大负泊松比效应和具有更大有效应变的三维金属负泊松比超材料。兼具强度和负泊松比效应的负泊松比超材料，将促进负泊松比材料在吸能、抗冲击、抗震等工程和国防领域的推广与运用。
Description
技术领域
本发明设计了一种变刚度三维内凹负泊松比胞元，并给出了该负泊松比结构的设计方法，属于新材料和新结构领域。
背景技术
超材料是21世纪以来出现的一类新材料，具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工材料，如光学超材料、声学超材料、热力学超材料、力学超材料等。负泊松比超材料是具有负力学参数的典型力学超材料。与传统材料相比，负泊松比材料在变形过程中常常表现出违反直觉的变形行为，在单轴压力(拉力)作用下，传统材料在垂直于荷载方向上发生膨胀(收缩)，而负泊松比超材料却沿横向收缩(膨胀)。
从负泊松比材料首次被研究到至今三十多年来，国内外对于负泊松比材料在理论研究、有限元模拟和试验研究等方面取得了显著进展，但仍有许多问题需要进一步研究。一方面，目前大多数负泊松比材料的研究主要基于二维结构，而基于三维的负泊松比结构大多采用橡胶类材料作为基材，其承载力和抗冲击能力有限；另一方面，现有的三维负泊松比材料大多仅在小应变下表现出负泊松比特性，且大多三维负泊松比材料的几何形状是预先设计的，通常难以调整其力学性能，这较大地限制了负泊松比材料和结构的应用。因此，对负泊松比三维结构开展研究和拓展应用将是一项有意义的工作。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种变刚度三维内凹负泊松比胞元及其设计方法，利用二维内凹六边形蜂窝作为基本单元设计而成，通过改变二维内凹蜂窝的尺寸参数，可以对三维结构整体力学性能进行调控，以实现较复杂的三维结构的刚度可调控性。
本发明采用的技术方案为：一种变刚度三维内凹负泊松比胞元，由三个相同尺寸的二维内凹六边形蜂窝通过旋转平移而成；
所述二维内凹六边形蜂窝的长为l，高为h，内凹角为θ，厚度为t，根据几何可行性要求，尺寸参数需要满足下列的关系：
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的两条内凹肋的交点与上下轴的中点的连线长度记为内径r，以作为描述二维内凹六边形蜂窝的一个重要参数，它与结构其他参数的关系为：
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的结构的整体长度s为二维内凹六边形蜂窝长度加上部分胞元间连接杆件的长度，通过以下公式计算：s＝2r(cosθ+1)；
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的侧边内凹肋x的长度计算及其变化范围满足：
作为优选，所述二维内凹六边形蜂窝的长l与高h的变化范围满足：
作为优选，所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的内径r与高h的变化范围满足：
上述变刚度三维内凹负泊松比胞元的设计方法，包括以下几个步骤：
1)根据实验与模拟研究确定三维结构的刚度，吸能效果和设计尺寸之间的关系；
2)根据具体需要承受的应力荷载确定其二维内凹六边形蜂窝的尺寸参数；
3)通过平移旋转完成三维结构的设计；
4)完成负泊松比结构的整体设计，通过不同的阵列和连接方式形成三维晶格结构；
5)采用3D打印技术制作所设计的超材料结构，该结构可使用金属等材料制备。
本发明为一种可由3D打印实现的三维内凹负泊松比胞元，在保证结构强度和刚度的同时，以实现大变形、高吸能的目标，给负泊松比结构带来更多的应用场景。
有益效果：本发明针对负泊松比结构与材料发展与应用所亟待解决的问题，从以下三个方面具有明显优势：(1)可以使用金属材料代替一般的橡胶和树脂材料，在结构拥有负泊松比性能的同时，也保证结构的强度和刚度；(2)使用经典内凹蜂窝结构拓展到三维结构，让结构的压缩变形与内凹蜂窝变形类似，不仅让结构实现大变形，高吸能的效果，而且可以通过调整内凹蜂窝的参数来对整个结构的力学性能进行调控；(3)设计的三维内凹蜂窝结构在单轴受压时会有三轴响应，整体都会收缩变形，从而提高整个结构的吸能效应。
本发明可设计并制备出具有更大负泊松比效应和具有更大有效应变的三维金属负泊松比超材料。兼具强度和负泊松比效应的负泊松比超材料，将促进负泊松比材料在吸能、抗冲击、抗震等工程和国防领域的推广与运用。
附图说明
图1为变刚度三维内凹结构胞元设计示意图；
图2为变刚度三维内凹结构胞元加双向连杆的设计示意图；
图3为使用的内凹六边形胞元的设计尺寸示意图；
图4-7为变刚度三维内凹结构胞元通过不同的阵列和连接方式形成三维晶格结构示意图(为使细节更明显，以2×2个胞元为例)。
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1-7所示，一种变刚度三维内凹负泊松比胞元，由三个相同尺寸的二维内凹六边形蜂窝通过旋转平移而成；
所述二维内凹六边形蜂窝的长为l，高为h，内凹角为θ，厚度为t，根据几何可行性要求，尺寸参数需要满足下列的关系：
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的两条内凹肋的交点与上下轴的中点的连线长度记为内径r，以作为描述二维内凹六边形蜂窝的一个重要参数，它与结构其他参数的关系为：
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的结构的整体长度s为二维内凹六边形蜂窝长度加上部分胞元间连接杆件的长度，通过以下公式计算：s＝2r(cosθ+1)；
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的侧边内凹肋x的长度计算及其变化范围满足：
所述二维内凹六边形蜂窝的长l与高h的变化范围满足：
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的内径r与高h的变化范围满足：
上述变刚度三维内凹负泊松比胞元的设计方法，包括以下几个步骤：
1)根据实验与模拟研究确定三维结构的刚度，吸能效果和设计尺寸之间的关系；
2)根据具体需要承受的应力荷载确定其二维内凹六边形蜂窝的尺寸参数；
3)通过平移旋转完成三维结构的设计；
4)完成负泊松比结构的整体设计，通过不同的阵列和连接方式形成三维晶格结构；
5)采用3D打印技术制作所设计的超材料结构，该结构可使用金属等材料制备。
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)
1.一种变刚度三维内凹负泊松比胞元，其特征在于：该负泊松比胞元由三个相同尺寸的二维内凹六边形蜂窝通过旋转平移而成；
所述二维内凹六边形蜂窝的长为l，高为h，内凹角为θ，厚度为t，根据几何可行性要求，尺寸参数需要满足下列的关系：
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的两条内凹肋的交点与上下轴的中点的连线长度记为内径r，以作为描述二维内凹六边形蜂窝的一个重要参数，它与结构其他参数的关系为：
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的结构的整体长度s为二维内凹六边形蜂窝长度加上部分胞元间连接杆件的长度，通过以下公式计算：s＝2r(cosθ+1)；
所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的侧边内凹肋x的长度计算及其变化范围满足：
2.根据权利要求1所述的一种变刚度三维内凹负泊松比胞元，其特征在于：所述二维内凹六边形蜂窝的长l与高h的变化范围满足：
3.根据权利要求1所述的一种变刚度三维内凹负泊松比胞元，其特征在于：所述变刚度三维内凹负泊松比胞元的内径r与高h的变化范围满足：
4.根据权利要求1、2或3所述的变刚度三维内凹负泊松比胞元的设计方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
1)根据实验与模拟研究确定三维结构的刚度，吸能效果和设计尺寸之间的关系；
2)根据具体需要承受的应力荷载确定其二维内凹六边形蜂窝的尺寸参数；
3)通过平移旋转完成三维结构的设计；
4)完成负泊松比结构的整体设计，通过不同的阵列和连接方式形成三维晶格结构；
5)采用3D打印技术制作所设计的超材料结构，该结构使用金属材料制备。
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