CN217463020U - 一种可实现三向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可实现三向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，应用于超材料领域，要解决现有负刚度机械超材料吸能效果差、可重复使用性差且只能在一个方向(压缩或拉伸载荷)产生负刚度的问题。本实用新型由负刚度元结构阵列组成4x4x4负刚度机械超材料，负刚度元结构由立方体支撑架和单胞构成，单胞由支撑梁、圆锥壳和圆柱环组成，通过设计单胞的结构参数使其实现双稳态特性。本实用新型主要采用3D打印制造技术：熔融沉积成型技术(FDM)，立体光固化成型(SLA)和浇铸工艺，本实用新型利用自身的结构实现了多稳态负刚度特性、具有良好的可重复使用性、抗冲击性和吸能特性，在减振降噪、吸能缓冲方面具有很大的应用潜力。
Description
技术领域
本实用新型涉及超材料领域，具体涉及一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置。
背景技术
超材料(Metamaterials)是指人工设计具有某种特殊功能的结构单元以实现超常规性质的人造材料。结构单元的功能主要由其具体几何参数决定，通过结构单元的周期性、准周期性或特殊点阵排布构造超材料，实现自然材料无法实现或很难实现的特殊物理特性。根据所调控的激元的不同，超材料可分为电磁学超材料，光学超材料，声学超材料，热学超材料，力学超材料，机械超材料等。
负刚度机械超材料是机械超材料的一个分支，负刚度可定义为随着材料的变形程度增加，其产生的回复力减小。负刚度结构的主要特点是具有吸能特性、抗冲击性能和可重复使用性，可以循环使用降低材料成本，有益于实现材料的可持续发展。常见的负刚度结构主要有锁式、膜式、铰接多段、曲梁或V形梁和圆锥壳等，通常是利用结构的跳跃变形实现负刚度，目前，负刚度机械超材料只能在一个主要方向(压缩或拉伸载荷)下产生负刚度响应且吸能性能差。负刚度超材料在工程减振降噪，冲击吸能领域具有很好的应用前景。在航空航天领域，特别是在外界载荷的高速冲击下，负刚度超材料具有良好的缓冲和吸能作用，保护其内部的被隔振件不受损坏。
实用新型内容
(一)解决的技术问题
针对传统负刚度超材料只能在一个方向(拉伸或压缩载荷作用下)产生负刚度效应且吸能性能差，限制了其工程应用范围。本实用新型提出了圆锥壳负刚度结构材料，不仅具有优异的负刚度特性，同时具有双稳态特点。可以通过负刚度元结构的周期性排列形成阵列结构，以及阵列结构按层堆叠构成负刚度超材料，具有多稳态特性，在缓冲吸能方面具有广阔的应用前景。
(二)技术方案
作为优选的一种技术方案，所述圆锥壳为截顶圆锥壳状结构，所述圆锥壳的高度为2mm，厚度为1mm，上环半径为1mm，下环半径为4mm，内部为空心。
作为优选的一种技术方案，所述圆锥壳的材料为硅胶，采用浇铸工艺完成。
作为优选的一种技术方案，所述圆柱环的内径为4mm，外径为4.5mm，高度为3mm。
作为优选的一种技术方案，所述立方体支撑架的长宽高为18mm，立方体支撑架的六个面分别设有凹台，立方体支撑架内部为空心，每条棱的圆角为 0.5mm，八个棱角处分别设有排气孔。
作为优选的一种技术方案，所述凹台的内径为4mm，外径为4.5mm，深度为3mm。
作为优选的一种技术方案，所述排气孔的半径为1mm，完全贯通，用于排除单胞受压缩时的内部气体。
作为优选的一种技术方案，所述支撑梁、圆柱环和立方体支撑架的材料为尼龙或树脂，采用熔融沉积成型技术制造。
作为优选的一种技术方案，所述支撑梁、圆锥壳、圆柱环和立方体支撑架通过胶水粘结的方式连接
(三)有益效果
本实用新型提供了一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，具备以下有益效果：
(1)受到外界载荷冲击后，本实用新型的单胞的圆锥壳会产生竖直方向的弯曲和沿锥壳半径方向的压缩变形，卸载后又能自发回到原来的位置，具有双稳态特性，负刚度效果明显，吸能效果较好。
(2)单胞和立方体支撑架构成负刚度元结构，本实用新型通过负刚度元结构周期性排列形成阵列结构，阵列结构按层堆叠构成负刚度超材料，具有多稳态特性，单位质量能量吸收率相对单胞显著提高
(3)本实用新型提出的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，相对于传统的单向或双向负刚度超材料，实现了三向的缓冲性能，扩展了工程应用范围，在减振降噪，冲击吸能领域具有广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为本实用新型中单胞结构示意图，a为主视图，b为左视图，c为俯视图，d为轴测图，单胞由支撑梁(1)、圆锥壳(2)和圆柱环构成(3)，如摘要附图所示。
图2为本实用新型中立方体支撑架结构示意图，a为主视图，b为左视图， c为俯视图，d为轴测图。
图3为本实用新型负刚度元结构结构示意图，a为主视图，b为左视图， c为俯视图，d为轴测图。
图4为本实用新型4x4x4三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置结构示意图，a为主视图，b为左视图，c为俯视图，d为轴测图。
图中：1-单胞，2-立方体支撑架，3-负刚度元结构，4-4x4x4多稳态负刚度超材料。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
具体实施方式一：本实施方式的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置由负刚度元结构周期性排列形成阵列结构，阵列结构按层堆叠构成。负刚度结构主要包括三部分：软体圆锥壳结构(2)、支撑梁(1)、圆柱环(3)和立方体支撑架(7)；所述立方体支撑架上预留有凹台和排气孔，凹台用于放置圆锥壳结构，排气孔便于圆锥壳受到压缩后排气；支撑梁 (1)的下表面与圆锥壳(2)的上表面重合，圆锥壳(2)的下表面与圆柱环 (3)的内壁重合且三者为同轴心；圆柱环(3)的外壁与凹台(5)的内壁重合且同轴心。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：圆锥壳(2) 结构为截顶圆锥壳装结构，圆锥壳(2)的高度为2mm，厚度为1mm，上环半径为1mm，下环半径为4mm，圆锥壳内部为空心。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：圆锥壳(2) 的材料为硅胶，采用浇铸工艺完成。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：圆柱环(3) 的内径为4mm，外径为4.5mm，高度为3mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：立方体支撑架(7)的长宽高为18mm，立方体支撑架(7)的六个面分别设有凹台(5)，内部为空心，每条棱的圆角为0.5，八个棱角处分别设有排气孔(6)。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：凹台(5) 的内径为4mm，外径为4.5mm，深度为3mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：排气孔(6) 的半径为1mm，完全贯通，用于排除单胞(4)受压缩时的内部气体，减小内部压强对结构的影响。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：支撑梁(1)、圆柱环(3)和立方体支撑架(7)的材料为尼龙或树脂，采用熔融沉积成型技术制造。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同点在于：支撑梁(1)、圆锥壳(2)、圆柱环(3)和立方体支撑架(7)通过胶水粘结的方式连接。其他与具体实施方式一相同。
本实用新型通过设计单胞结构参数使其实现双稳态特性，具有良好的负刚度效应和吸能效果；通过单胞和立方体支撑架组合构成负刚度元结构，具有四稳态特性，相对于单胞，其单位质量吸能率明显提高；通过将负刚度元结构周期性排列形成阵列结构，阵列结构按层堆叠构成三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，具有良好的可重复使用性、抗冲击性能和吸能特性，在减振降噪、吸能缓冲领域具有广阔的应用前景。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，包括多个负刚度元结构(8)，所述负刚度元结构(8)包括立方体支撑架(7)和单胞(4)；其中，所述立方体支撑架(7)预留有凹台(5)和排气孔(6)，凹台(5)用于放置单胞(4)，共有六个；排气孔(6)在立方体支撑架(7)的每个棱角处设有一个，共有8个；单胞(4)包括支撑梁(1)、圆柱环(3)和软体结构圆锥壳(2)；支撑梁(1)的下表面与圆锥壳(2)的上表面重合，圆锥壳(2)的下表面与圆柱环(3)的内壁重合且三者为同轴心；圆柱环(3)的外壁与凹台(5)的内壁重合且同轴心。
2.根据权利要求1所述的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，所述支撑梁(1)为实心圆柱结构，支撑梁(1)的高度为2mm,半径为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，所述圆锥壳(2)的高度为2mm，厚度为1mm，上环半径为1mm，下环半径为4mm，内部为空心。
4.根据权利要求1所述的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，圆锥壳(2)的材料为硅胶，采用浇铸工艺完成。
5.根据权利要求1所述的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，圆柱环(3)的内径为4mm，外径为4.5mm，高度为3mm。
6.根据权利要求1所述的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，所述立方体支撑架(7)的长宽高为18mm，立方体支撑架(7)的六个面分别设有凹台(5)，立方体支撑架内部为空心，每条棱的圆角为0.5mm，八个棱角处分别设有排气孔(6)。
7.根据权利要求1所述的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，所述凹台(5)的内径为4mm，外径为4.5mm，深度为3mm。
8.根据权利要求1所述的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，所述排气孔(6)的半径为1mm，完全贯通，用于排除单胞(4)受压缩时的内部气体。
9.根据权利要求1所述的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，所述支撑梁(1)、圆柱环(3)和立方体支撑架(7)的材料为尼龙或树脂，采用熔融沉积成型技术制造。
10.根据权利要求1所述的一种可实现三主向缓冲的多稳态负刚度机械超材料吸能装置，其特征在于，所述支撑梁(1)、圆锥壳(2)、圆柱环(3)和立方体支撑架(7)通过胶水粘结的方式连接。
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