CN107726035A - 一种手风琴式蜂窝结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手风琴式蜂窝结构，该蜂窝结构适用于轻质材料设计领域，是由若干个代表性胞元周期交错排列而成。代表性胞元由两个相同的正方形孔以45°的方向交错重叠成一个有一定壁厚的波浪形结构，包含了正方形孔的未重叠边和重叠边。代表性胞元周期排列时，y向相邻的代表性胞元之间波峰与波谷交错重合，一条重叠边与相邻代表性胞元的一条未重叠边部分重合，x向相邻的代表性胞元之间，一组代表性胞元的一条未重叠边部分重合，而另一组代表性胞元则共用另一条未重叠边。所述手风琴式蜂窝结构包含外凸多边形和内凹多边形，可通过改变壁厚和重叠边的长度来产生多级变形实现结构的二次承载，从而提高手风琴式蜂窝结构的能量吸收能力。

Description

一种手风琴式蜂窝结构

技术领域

本发明属于轻质材料设计技术领域，具体涉及一种手风琴式蜂窝结构。

背景技术

轻质多孔材料作为一种常见的材料形式，广泛存在于自然界中，例如动物的骨骼、蜜蜂的巢穴、昆虫的外壳、植物的根茎等。人类从这些天然的多孔材料中获得灵感，设计和制备了各种各样的轻质多孔材料，例如泡沫材料、蜂窝材料、点阵材料等，这些多孔材料由于具有优异的力学、热学等多功能性以及较强的可设计性，在航空、航天、汽车、生物、电子、能源等领域中得到了广泛的应用。其中，作为一种有序的二维多孔材料-蜂窝材料，其力学性能优异、制备简单，获得了大量的应用。常见的蜂窝材料有六边形蜂窝、四边形蜂窝、三角形蜂窝、Kagome蜂窝等，这些蜂窝都是外凸多边形蜂窝，当结构发生初始坍塌以后，便丧失了承载能力，而在一些实际工程应用中，希望当结构发生初始坍塌后还能够继续承载。

发明内容

为了克服现有蜂窝材料的缺陷，本发明提供了一种手风琴式蜂窝结构。

本发明采用如下的技术方案：

一种手风琴式蜂窝结构，该蜂窝结构由若干个代表性胞元周期交错排列而成；其中，

代表性胞元是由两个相同的正方形孔以45°的方向交错重叠成一个有设定壁厚的波浪形结构；该波浪形结构由相连的正方形孔未重叠边和正方形孔重叠边构成。

本发明进一步的改进在于，所述的代表性胞元周期排列时，y向相邻的代表性胞元之间波峰与波谷交错重合，任意一组代表性胞元的一条正方形孔重叠边与相邻代表性胞元的一条正方形孔未重叠边部分重合，x向相邻的代表性胞元之间，一组代表性胞元的一条正方形孔未重叠边部分重合，而另一组代表性胞元则共用另一条正方形孔未重叠边。

本发明进一步的改进在于，任意一组代表性胞元的一条正方形孔未重叠边的边长为l，正方形孔重叠边的边长为αl，胞壁厚度为βl，通过改变α的大小进而改变手风琴式蜂窝结构波浪形结构凹陷的程度，且α越大，凹陷程度越大，通过改变β的大小，进而改变胞壁的厚度，且β越大，胞壁厚度越大，α、β满足以下关系：

本发明具有如下的有益效果：

该手风琴式蜂窝结构的代表性胞元的正方形孔未重叠边之间以及正方形孔未重叠边与重叠边之间构成外凸多边形，正方形孔重叠边之间构成内凹多边形，在结构受压时，外凸多边形易于发生变形，因此在结构压缩变形过程中手风琴式蜂窝结构的外凸多边形的胞壁会首先发生大变形直至胞壁发生接触，当胞壁接触时，未变形的内凹多边形使得手风琴式蜂窝结构的胞元形状变成三角形胞元，从而形成新的蜂窝结构，继续加载时，新的三角形胞元结构能够继续变形承载。这种手风琴式蜂窝结构的设计形式，实现了蜂窝结构的分级变形，使得结构能够二次承载，从而提高了蜂窝结构的承载能力和能量吸收能力。

附图说明

图1为本发明手风琴式蜂窝结构的代表性胞元示意图。

图2为相邻代表性胞元之间关系图。

图3为由代表性胞元形成的手风琴式蜂窝结构图。

图4为手风琴式蜂窝结构准静态压缩有限元仿真结果图。

图中：11-正方形孔未重叠边，12-正方形孔重叠边，111-未重叠边的一部分，112-未重叠边的另一部分。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种手风琴式蜂窝结构，由若干个代表性胞元周期交错排列而成。代表性胞元是由两个相同的正方形孔1以45°的方向交错重叠成一个有一定壁厚的波浪形结构，该波浪形结构由正方形孔未重叠边11和正方形孔重叠边12构成。

所述的代表性胞元周期排列时，代表性胞元与相邻胞元之间关系图如图2所示，y向相邻的代表性胞元之间波峰与波谷交错重合，任意一组代表性胞元的一条正方形孔重叠边12与相邻代表性胞元的一条正方形孔未重叠边的一部分111重合，x向相邻的代表性胞元之间，一组代表性胞元的一条未重叠边的另一部分112重合，而另一组代表性胞元则共用另一条正方形孔未重叠边11。图3为由代表性胞元形成的手风琴式蜂窝结构图，代表性胞元的交错排列，使得胞元占据整个空间，从而形成手风琴式蜂窝结构。

所述的手风琴式蜂窝结构的未重叠边的边长为l，重叠边的边长为αl，胞壁厚度为βl，改变α的大小可以改变手风琴式蜂窝结构波浪形结构凹陷的程度，α越大，凹陷程度越大，改变β的大小，可以改变胞壁的厚度，β越大，胞壁厚度越大，α、β需满足以下关系：

实施例及准静态压缩有限元仿真结果。

图4为α＝0.4,β＝0.0585的手风琴式蜂窝结构y向的准静态压缩有限元仿真结果。图中给出了手风琴式蜂窝结构经历第一次平台区之后的变形模式，从图中可以发现，手风琴式蜂窝结构在第一次平台区中所有行的胞元发生坍塌，原来的波浪形胞元会形成新的三角形胞元，继续加载时，三角形胞元会继续变形，这种多级变形形式实现了结构的二次承载，使得结构继续具备承载能力，这时材料的压缩应力-应变曲线会形成一个较高的应力二次平台区，从而提高了手风琴式蜂窝结构的能量吸收能力。

Claims (3)

1.一种手风琴式蜂窝结构，其特征在于，该蜂窝结构由若干个代表性胞元周期交错排列而成；其中，

代表性胞元是由两个相同的正方形孔(1)以45°的方向交错重叠成一个有设定壁厚的波浪形结构；该波浪形结构由相连的正方形孔未重叠边(11)和正方形孔重叠边(12)构成。

2.根据权利要求1所述的手风琴式蜂窝结构，其特征在于，所述的代表性胞元周期排列时，y向相邻的代表性胞元之间波峰与波谷交错重合，任意一组代表性胞元的一条正方形孔重叠边(12)与相邻代表性胞元的一条正方形孔未重叠边(11)部分重合，x向相邻的代表性胞元之间，一组代表性胞元的一条正方形孔未重叠边(11)部分重合，而另一组代表性胞元则共用另一条正方形孔未重叠边(11)。

3.根据权利要求1所述的手风琴式蜂窝结构，其特征在于，任意一组代表性胞元的一条正方形孔未重叠边(11)的边长为l，正方形孔重叠边(12)的边长为αl，胞壁厚度为βl，通过改变α的大小进而改变手风琴式蜂窝结构波浪形结构凹陷的程度，且α越大，凹陷程度越大，通过改变β的大小，进而改变胞壁的厚度，且β越大，胞壁厚度越大，α、β满足以下关系：

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