CN108082102A - 基于内凹六边形单元的负泊松比结构部件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，包括多个单胞结构，每个单胞结构由两个内凹六边形组成，内凹六边形呈左右对称的燕尾形状，两个内凹六边形呈正交排布且相交于两凹角顶点，从而形成一个完整的单胞结构；多个单胞结构在水平两方向上通过共享一根支撑胞臂的方式相互连接，在水平方向延伸形成一个连续的单元层；多个单元层在垂直方向通过共享弯曲肋的方式相互连接，构成多层交叉排列的内凹蜂窝状三维负泊松比结构。本发明具有明显负泊松比效应，在受载时产生更高的弹性模量、剪切模量、储能模量，更好的回弹韧性和抗断裂性能，且在载荷作用下随着负泊松比效应的增强而提高。

Description

基于内凹六边形单元的负泊松比结构部件

技术领域

本发明涉及一种负泊松比结构部件，具体涉及一种基于内凹六边形单元的负泊松比结构部件。

背景技术

泊松比的概念由法国科学家泊松(Simon Denis Poisson)最先发现并提出的，是指材料在单向受拉或受压时，材料沿载荷方向产生伸长(或缩短)变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短(或伸长)变形。垂直方向上的应变ε,与载荷方向上的应变ε之比的负值称为材料的泊松比。以μ表示泊松比，则

对于大部分材料而言，通常认为如果它在一个方向上被拉伸(压缩)，其在横向截面内会发生收缩(膨胀)，如图1所示，所以多数材料泊松比值为正数。但负泊松比结构在承受轴向载荷时，却表现出相反的特性，其泊松比为负值。图2展示了一种通过天然负泊松比材料微观研究而衍生出的一种内凹六边形结构单元，其表现出一种在一个方向上受拉伸(压缩)，会沿横向膨胀(收缩)的特性。

由于其独特的特性，负泊松比材料结构引起了广泛的关注。该特性产生的宏观效应就是所述材料在受载时局部密度增加可以聚集更多材料抵抗载荷，从而产生更高的弹性模量、剪切模量、储能模量，更好的回弹韧性和抗断裂性能，且在载荷作用下随着负泊松比效应的增强而提高。因此负泊松比材料结构在抗冲击、耐变形破坏部件设计领域具有广泛的应用前景。

目前，内凹六边形负泊松比结构的研究与应用主要集中在其垂直胞壁方向，忽略了内凹方向的特性。中国专利201611222807公开了一种内部填充有负泊松比结构的吸能盒，但是该专利中的单胞是通过两个内凹六边形在垂直胞壁出连接形成，使得扩展而来的三维结构侧向刚度、强度不足，无法满足吸能盒在偏置碰撞中的吸能需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于内凹六边形单元的负泊松比结构部件。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，包括多个单胞结构；每个单胞结构由两个内凹六边形结构组成，内凹六边形结构呈左右对称的燕尾形状，外侧两条等长竖边为支撑胞臂，内侧四条等长斜边为弯曲肋，支撑胞臂与弯曲肋之间的夹角小于90度；两个内凹六边形呈正交排布且相交于两凹角顶点，从而形成一个完整的单胞结构；多个单胞结构在水平两方向上通过共享一根支撑胞臂的方式相互连接，从而在水平方向延伸形成一个连续的单元层；多个单元层在垂直方向通过共享弯曲肋的方式相互连接，依次类推从而构成多层交叉排列的内凹蜂窝状三维负泊松比结构。

本发明还提供一种由基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件制备的吸能盒，包括金属外壳、负泊松比结构内芯和后安装板，负泊松比结构内芯由负泊松比结构部件构成，设置在金属外壳内部，后安装板与汽车纵梁固连。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明具有明显负泊松比效应，在受载时产生更高的弹性模量、剪切模量、储能模量，更好的回弹韧性和抗断裂性能，且在载荷作用下随着负泊松比效应的增强而提高；同时本发明在受到局部载荷冲击的时候能产生材料聚集效应，从而使得部件局部强度增强；(2)本发明为多孔蜂窝式结构，在受到冲击载荷时具有几乎不变的平台应力和较长的行程，具有良好的能量吸收特性；同时内部多孔连接结构能保证更稳定的变形模式，更好的载荷一致性，诱导波浪式变形，从而提高吸能效率；(3)本发明提出的结构能实现功能导向设计，即基于所需部件性能进行结构参数设计；同时本发明提出的结构简单，技术手段简单易行，可以通过铸造、挤压或3D打印进行成型制造，适合工业应用推广。

附图说明

图1为普通材料拉压反应机制示意图。

图2为负泊松比材料拉压反应机制示意图。

图3为本发明内凹六边形单胞结构示意图。

图4为本发明基于内凹六边形单元的三维负泊松比结构示意图。

图5(a)为三维负泊松比结构准静态压缩时的变形模式示意图。

图5(b)为三维负泊松比结构受局部压缩时的变形模式示意图。

图6为三维负泊松比结构的准静态压缩应力-应变曲线对比示意图。

图7为本发明实施例中吸能盒的三维视图。

图8为吸能盒中负泊松比结构单元件的示意图。

具体实施方式

一种基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，包括多个单胞结构；每个单胞结构由两个内凹六边形结构组成，内凹六边形结构呈左右对称的燕尾形状，外侧两条等长竖边为支撑胞臂，内侧四条等长斜边为弯曲肋，支撑胞臂与弯曲肋之间的夹角小于90度；两个内凹六边形呈正交排布且相交于两凹角顶点，从而形成一个完整的单胞结构；多个单胞结构在水平两方向上通过共享一根支撑胞臂的方式相互连接，从而在水平方向延伸形成一个连续的单元层；多个单元层在垂直方向通过共享弯曲肋的方式相互连接，依次类推从而构成多层交叉排列的内凹蜂窝状三维负泊松比结构。

支撑胞臂与弯曲肋之间的长度关系满足公式H>2·Cosθ·L，H为支撑胞臂长度，L为弯曲肋长度，θ为支撑胞臂与弯曲肋之间的夹角。

所述支撑胞臂与弯曲肋为直的或弯曲的。

所述支撑胞臂与弯曲肋为恒定截面或可变截面。

所述支撑胞臂与弯曲肋为实心管或中空管件。

所述支撑胞臂与弯曲肋的制备材料为金属、塑胶、泡沫、陶瓷或复合材料。

所述支撑胞臂与弯曲肋由冲压、挤压或3D打印成型方式制成。

本发明还提供一种由基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件制备的吸能盒，包括金属外壳、负泊松比结构内芯和后安装板，负泊松比结构内芯由负泊松比结构部件构成，设置在金属外壳内部，后安装板与汽车纵梁固连。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，包括多个单胞结构；如图3所述单胞结构由两个内凹六边形组成，内凹六边形呈左右对称的燕尾形状，左右两条等长竖边为支撑胞臂301，长度为H，左右四条等长斜边为弯曲肋302，长度为L，支撑胞臂与弯曲肋之间的夹角为θ且θ<90°，同时为保证结构内凹特性，支撑胞臂与弯曲肋之间的长度关系满足公式H>2·Cosθ·L。两六边形呈正交排布且相交于两凹角顶点，从而形成一个完整的单胞结构。

多个单胞结构在水平两方向上通过共享一根支撑胞臂的方式相互连接，从而在水平方向延伸形成一个连续的单元层。在垂直方向多个单元层通过共享弯曲肋的方式相互连接，依次类推从而构成多层交叉排列的内凹蜂窝状三维负泊松比结构，如图4所示。

图5(a)展示了图4中具有设计参数H＝26mm、L＝20mm、θ＝70°、5×5×9的三维负泊松比结构受准静态压缩时的变形模式，其中分别描绘了变形前后的形状。如图所示，在负泊松效应的作用下，结构在横向发生明显收缩。

图5(b)展示了图4中具有设计参数H＝15mm、L＝20mm、θ＝75°、8×8×5的三维负泊松比结构受局部压缩时的变形模式，其中分别描绘了变形前后的形状。如图所示，在负泊松效应的作用下，当局部受载时，四周材料会集中到该局部区域，从而显著提高局部区域的强度和刚度。

图6展示了图4所述结构与现有蜂窝材料的准静态压缩应力-应变曲线对比。可以看出该结构受压收缩主要分为三个阶段：弹性变形区、平台区和密实区，平台应力随应变的增大而逐渐升高，同时由于结构是对称均匀分布的，平台应力呈现出更好的稳定性。

所述单胞结构的支撑胞臂和弯曲肋截面几何尺寸L、H及结构相关参数θ可根据部件性能需要进行设计。所述的连接方式为胶结或焊接。所述支撑胞臂和弯曲肋可以由同种或不同种材料构成，若为同种材料，则所述负泊松比结构部件可通过铸造、挤压或3D打印成型。基于所述单胞结构而成的负泊松比结构的宏观几何尺寸由单元层数和每层单胞个数决定。

实施例2

图7展示了一种基于本发明内凹六边形单元负泊松比结构的吸能盒。包括吸能盒金属外壳701、负泊松比结构内芯702和后安装板703，金属外壳701的一端与汽车防撞梁固连，另一端与后安装板703固连，后安装板703与汽车纵梁固连。金属外壳为空心盒体，内部填充有负泊松比结构内芯702。

金属外壳701由1.2毫米厚的铝板冲压成形，同时使用点焊技术焊接成长方体吸能盒结构，尺寸长为170毫米、宽为80毫米、高为100毫米。在金属外壳701的两个端面设有翻边，分别通过点焊与汽车防撞梁、后安装板连接，后安装板703尺寸宽100mm、高为140mm、厚度为4mm，后安装板703上开有用于螺栓连接纵梁的四个M8螺纹孔704，与汽车纵梁通过螺栓连接。负泊松比结构内芯702为设计参数为H＝24mm、L＝13mm、θ＝60°、3×4×9的三维负泊松比结构。该结构采用但不限于ABS塑料3D打印而成，材料密度为1.08g/cm3，通过挤压填充的方式固定在金属外壳701内部。

图8为适用于本发明吸能盒实施例中负泊松比结构单元件的示意图。单元件中支撑胞臂801和弯曲肋802均为具有平整的表面的正方形截面实心梁，截面尺寸为3×3毫米，各单胞之间通过表面胶粘连接而成。

具体在本发明实施例负泊松比结构吸能盒中，通过后安装板703，将金属外壳701固定在汽车纵梁上，通过金属外壳701的翻边，将金属外壳701焊接在汽车防撞梁上，从而将负泊松比结构吸能盒固定在防撞梁与纵梁之间。以汽车低中速行驶时发生正面碰撞为例，本实施例中，碰撞发生时前防撞梁将碰撞能量传到汽车吸能盒中，金属外壳与负泊松比结构内芯开始沿轴向溃缩吸能，其中负泊松比结构内芯轴向溃缩的同时材料沿径向收缩，使结构产生更大强度、刚度以及更高的储能模量，同时金属外壳与多胞结构相互作用下提供了稳定的吸能模式，改善了吸能盒吸能稳定性。碰撞发生时负泊松比结构吸能盒碰撞力迅速上升，到达第一个峰值后开始维持在高而平坦的应力平台阶段，产生稳定而高效的吸能。当应变达到一定程度后，结构发生密实化应变，碰撞力再次显著提高，使结构的能量吸收能力进一步提高，直至完全溃缩。可以看出所述实施例吸能盒从能量吸收能力和能量吸收稳定性上都具备明显优势。

最后需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本发明中的负泊松比结构部件中所有单元件可以采用相同或不同的形状、尺寸、截面形状等，可使用相同或不同材料，并且可根据不同使用需求进行功能性参数设计。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，其特征在于，包括多个单胞结构；每个单胞结构由两个内凹六边形结构组成，内凹六边形结构呈左右对称的燕尾形状，外侧两条等长竖边为支撑胞臂，内侧四条等长斜边为弯曲肋，支撑胞臂与弯曲肋之间的夹角小于90度；两个内凹六边形呈正交排布且相交于两凹角顶点，从而形成一个完整的单胞结构；多个单胞结构在水平两方向上通过共享一根支撑胞臂的方式相互连接，从而在水平方向延伸形成一个连续的单元层；多个单元层在垂直方向通过共享弯曲肋的方式相互连接，依次类推从而构成多层交叉排列的内凹蜂窝状三维负泊松比结构。

2.根据权利要求1所述基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，其特征在于，支撑胞臂与弯曲肋之间的长度关系满足公式H>2·Cosθ·L，H为支撑胞臂长度，L为弯曲肋长度，θ为支撑胞臂与弯曲肋之间的夹角。

3.根据权利要求1或2所述基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，其特征在于，所述支撑胞臂与弯曲肋为直的或弯曲的。

4.根据权利要求1或2所述基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，其特征在于，所述支撑胞臂与弯曲肋为恒定截面或可变截面。

5.根据权利要求1或2所述基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，其特征在于，所述支撑胞臂与弯曲肋为实心管或中空管件。

6.根据权利要求1或2所述基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，其特征在于，所述支撑胞臂与弯曲肋的制备材料为金属、塑胶、泡沫、陶瓷或复合材料。

7.根据权利要求1或2所述基于内凹六边形多胞单元的负泊松比结构部件，其特征在于，所述支撑胞臂与弯曲肋由冲压、挤压或3D打印成型方式制成。

8.一种基于权利要求1或2所述负泊松比结构部件的吸能盒，其特征在于，包括金属外壳、负泊松比结构内芯和后安装板，负泊松比结构内芯由负泊松比结构部件构成，设置在金属外壳内部，后安装板与汽车纵梁固连。