CN105333296A - 基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构 - Google Patents

基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构 Download PDF

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Abstract

一种基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构，由若干个蜂窝胞元结构交错排列组成，所述蜂窝胞元结构为由双稳态柱壳杆和连接圆管构成的双稳态复合材料柱壳蜂窝胞元结构，4根双稳态复合材料柱壳杆的一端连接到与双稳态复合材料柱壳杆卷曲稳定曲率半径一致的连接圆管上，另一端与另一组胞元的连接圆管连接，形成一种具有负泊松比特性的蜂窝结构。与采用平板支撑的蜂窝胞元结构不同，本发明采用具有双稳态特性的复合材料柱壳杆可提高所成型蜂窝结构的展开支撑刚度，且压缩时，自动卷曲收缩，避免了采用平板结构时出现的较大范围屈曲现象，可大幅提高该类结构的负泊松比效应和结构刚度，并提升结构的可靠性。

Description

基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构
技术领域
本发明涉及一种负泊松比蜂窝结构，尤其是涉及一种基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构。
背景技术
负泊松比结构具有广泛的应用范围，但其研究仍局限于理论认识层面，如何在保持负泊松比效应的同时提高其刚度是其制约因素。3D打印技术促进了该类结构的应用发展，但其刚度提升仍是薄弱环节。通过采用双稳态复合材料可展开柱壳杆，有望在提升该类结构的负泊松比效应的同时，提升其刚度，促进其应用。
发明内容
本发明的目的是将双稳态复合材料可展开柱壳引入负泊松比蜂窝结构，提供了一种具有较高刚度、卷曲状态稳定、负泊松比效应显著的基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构，为该类结构的应用提供了支撑。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构，由若干个蜂窝胞元结构交错排列组成，所述蜂窝胞元结构为由双稳态柱壳杆和连接圆管构成的双稳态复合材料柱壳蜂窝胞元结构，4根双稳态复合材料柱壳杆的一端连接到与双稳态复合材料柱壳杆卷曲稳定曲率半径一致的连接圆管上，另一端与另一组胞元的连接圆管连接，形成一种具有负泊松比特性的蜂窝结构。
本发明具有如下优点：
与采用平板支撑的蜂窝胞元结构不同，本发明采用具有双稳态特性的复合材料柱壳杆可提高所成型蜂窝结构的展开支撑刚度，且压缩时，自动卷曲收缩，避免了采用平板结构时出现的较大范围屈曲现象，可大幅提高该类结构的负泊松比效应和结构刚度，并提升结构的可靠性。
附图说明
图1为双稳态可展开柱壳展开与卷曲的过渡状态(左端为伸开状态：直柱壳；右端为卷曲状态)；
图2为双稳态可展开柱壳的横截面；
图3为绕圆管稳定卷绕方式；
图4为双稳态柱壳杆展开与卷曲示意图；
图5为典型双稳态柱壳杆蜂窝结构胞元展开状态；
图6为典型双稳态柱壳杆蜂窝结构胞元展开→收缩状态；
图7为典型双稳态柱壳杆蜂窝结构示意图；
图中：1-连接圆管，2-双稳态柱壳杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图7所示，本发明提供了一种基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构，所述负泊松比蜂窝结构由若干个双稳态复合材料柱壳蜂窝胞元结构交错排列组成，其中：双稳态复合材料柱壳蜂窝胞元结构按照以下方法进行制备：
1、采用平纹编织碳纤维复合材料通过沿轴向方向成45度方向固化成型，形成具有初始曲率半径为r1的双稳态柱壳杆，该双稳态柱壳杆在卷曲状态也处于稳定状态，且不存在弯扭耦合作用。
2、将4根该类型双稳态复合材料柱壳杆一端连接到与双稳态复合材料柱壳杆卷曲稳定曲率半径一致的连接圆管上，另一端与另一组胞元的连接圆管连接，可形成一种具有负泊松比特性的蜂窝结构。
由于双稳态柱壳杆仅可以沿一个方向卷曲收缩，因此，采用该柱壳杆的负泊松比蜂窝结构与传统蜂窝结构形式不同，卷曲收拢时更紧密。所有圆管均是沿一个方向转动时(圆管逆时针转动为收卷)，收卷；沿相反方向转动时，展开，实现了同步性(图5-6)。
初始双稳态柱壳杆的伸开状态如图1所示，横截面如图2所示，截面张角为β，截面半径为r1，柱壳厚度为t。
对于第二稳定状态(即卷曲稳定状态)，其稳定曲率半径为r2＝D11*r1/D12，也即是中心圆管的外径为r2，缠绕方式见图3，其中：D11和D12为复合材料薄壁柱壳管的抗弯刚度系数，可根据材料参数和纤维体积含量确定。
在成型时，应保证各个连接圆管中心距离满足d≤4πr2+2r2，这样卷曲时，中心圆曲率半径约增加至r2+4t，即紧密缠绕时，对应两中(图4)心距离约为D＝2r2+8t。

Claims (3)

1.一种基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构，由若干个蜂窝胞元结构交错排列组成，其特征在于所述蜂窝胞元结构为由双稳态柱壳杆和连接圆管构成的双稳态复合材料柱壳蜂窝胞元结构，4根双稳态复合材料柱壳杆的一端连接到与双稳态复合材料柱壳杆卷曲稳定曲率半径一致的连接圆管上，另一端与另一组胞元的连接圆管连接，形成一种具有负泊松比特性的蜂窝结构。
2.根据权利要求1所述的基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构，其特征在于所述双稳态柱复合材料壳杆初始稳定状态的截面截面半径为r1，柱壳厚度为t；卷曲稳定状态的稳定曲率半径为r2＝D11*r1/D12，其中：D11和D12为复合材料薄壁柱壳管的抗弯刚度系数。
3.根据权利要求1所述的基于双稳态复合材料可展开柱壳的负泊松比蜂窝结构，其特征在于所述蜂窝胞元结构在成型时，各个连接圆管中心距离满足d≤4πr2+2r2，紧密缠绕时，对应两连接圆管中心距离为D＝2r2+8t。
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