CN108895108B - 一种拉胀多胞构型及吸能结构部件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉胀多胞构型及吸能结构部件，包括多个单胞结构，每个单胞是由两个典型的内凹特征结构和两个箭头型结构通过巧妙拼接得到的；内凹特征结构的左右两边内凹角顶点的位置分别连接着两个箭头型特征结构，这两个箭头型特征结构的内凹角顶点位置又连接着另外两个内凹特征结构的半个横杆，共同构成一个拉胀多胞构型的单胞结构；然后该单胞通过平面阵列得到二维拉胀多胞构型。该多胞材料具有负泊松比性质，其在受压时会收缩，从而使受压区域局部致密化，这种独特的变形特征使得其具有更强的抗压痕性能和抗冲击性能。此外，通过改变杆的长细比和倾斜角度，调节其弹性性能和抗压缩强度。

Description

一种拉胀多胞构型及吸能结构部件

技术领域

本发明涉及一种拉胀构型，特别涉及一种拉胀多胞构型及吸能结构部件。

背景技术

与传统的正泊松比材料相比，负泊松比材料在垂直于受压方向会产生收缩，这就意味着加强的几何效应，受压区域的颗粒或纤维会产生局部致密化，使材料具有更高的压缩阻抗、抗压痕能力、抗剪能力和压缩强度，在包装和减震缓冲设计中有着极大的应用潜力。研究表明，负泊松比特性还能产生较高的断裂韧度和声阻尼等。另外，负泊松比使得负泊松比蜂窝夹芯在面外受弯时能产生半球状变形，可以用于制作弯曲层合壳，如用于航空航天中的火箭或飞机的整流罩等。因此，从基础研究和实际应用的角度，研究这些非传统材料显得尤为重要，尤其在医药、航空和国防工业，比如用于航空领域热防护的热解石墨、航空发动机的单晶Ni₃Al等。

拉胀材料有着很多优异的性能，然而拉胀材料在某些方面也有局限。由于多数的拉胀材料需要大量的孔隙，拉胀材料的刚度比组成其结构的材料刚度低很多，这也使得拉胀材料在工程构件中的应用受到限制。拉胀结构的稳定性和承载能力都还没有达到期望的水平，怎样在保证拉胀性能的同时提高结构稳定性和承载能力成为研究的一个热点。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服上述现有多胞构型的缺点和不足，提出一种拉胀多胞构型及吸能结构部件，具有更强的吸能特性。此外，其可控的杨氏模量和泊松比等弹性性能，以及抗压缩强度和冲击吸能特性，可根据不同的应用要求进行设计；可以通过3D打印技术快速制备，也可以通过传统工艺进行批量制备。与经典内凹构型相比，该构型能吸收更多的能量。

本发明主要通过下述技术方案实现：一种拉胀多胞构型，由多个单胞排列构成，每个单胞由两个内凹特征结构和两个箭头型结构拼接构成；所述两个箭头型结构对称地连接在最中间内凹特征结构的左右两个内凹角的顶点处(点G和点H)；所述两个箭头型结构内凹角的顶点处(点F和点I)又分别连接着另外两个内凹特征结构的半个横杆；

所述内凹特征结构呈左右对称和上下对称，由对称性可知，内凹特征结构完整单胞的四分之一依次通过在x轴和y轴对称排布组成一个完整的内凹特征结构完整单胞，内凹特征结构完整单胞的四分之一由一根斜杆两端分别连接半根水平横杆构成；内凹特征结构可由水平横杆的长度为h、倾斜杆的长度为l以及水平横杆与倾斜杆之间的夹角θ唯一确定，水平横杆和倾斜杆之间的夹角θ小于90°；

所述箭头型结构呈上下对称，所述箭头型结构由两根关于x轴镜像对称并一端相连的长杆和两根关于x轴镜像对称并一端相连的短杆构成，长杆的另一端连接着短杆的另一端，所述箭头型结构由较短的倾斜杆的长度为l、较长的斜杆与x轴的夹角α和较短的斜杆与x轴的夹角θ唯一确定，α和θ均小于90°，并且α总是小于θ。

所述拼接内凹特征结构和箭头型结构时，其中内凹特征结构倾斜杆的长度和其中箭头型结构较短倾斜杆的长度相同；单胞中的内凹特征结构的水平横杆和倾斜杆之间的夹角和其中箭头型结构较短倾斜杆与x轴的夹角相等；

所述多个单胞在水平方向和竖直方向呈阵列的排列方式，从而得到拉胀多胞构型。

所述阵列的排列方式当为在平面内周期性排布时，得到二维拉胀多胞新构型。

所述每个二维拉胀多胞构型的单胞通过空间变化得到三维拉胀多胞构型的单胞；然后三维拉胀多胞构型的单胞再通过空间阵列的方式，在空间三个方向上周期性排布，得到三维拉胀多胞构型。

所述夹角α和θ均小于90°，并且α总是小于θ。

拉胀结构中的水平横杆或倾斜杆的横截面为环形、工字形、槽形或多边形，所述多边形包括长方形、正方形、菱形、圆形、椭圆形、三角形或梯形，优选环形、工字形或槽形。

所述拉胀多胞构型，通过3D打印技术进行制备，所述3D打印技术为光固化立体造型技术、熔融沉积成型技术、选区激光熔化技术或激光净成型技术。

所述拉胀多胞构型材料为塑料或金属；通过传统工艺进行制备，所述传统工艺为先将金属薄片扎压成型，再进行粘贴或焊接来制备；或通过铣削来加工。

所述拉胀多胞构型的孔隙率很小，能达到99％以上。

一种吸能结构部件，采用上述的拉胀多胞构型实现。

通过改变水平横杆或倾斜杆的长细比，以及夹角α和θ的大小，调节弹性性能、抗压缩强度或冲击吸能特性，所述弹性性能包括杨氏模量和泊松比；所述泊松比在只考虑弹性性能的静态拉伸和压缩时总是负值，且x、y两个方向的泊松比均是负值。

本发明相对于现有构型，具有以下的优点和效果：

本发明提出了一种拉胀多胞构型及吸能结构部件，该构型在平面内两个方向上都具有负泊松比效应，其在受压时会收缩，从而使受压区域局部致密化，这种独特的变形特征使得其与传统正泊松比材料相比具有更强的抗压痕性能和抗冲击性能等优势，在减震缓冲设计方面有着极大的应用前景。

该拉胀多胞构型的弹性性能、抗压缩强度和冲击吸能特性等是可控的，通过调节水平横杆或倾斜杆的长度、横截面和倾斜杆的倾斜角度(α和θ)，就可以得到不同的弹性性能、抗压缩强度和冲击吸能特性。弹性模量、抗压缩强度和冲击吸能特性主要跟相对密度有关，泊松比主要和几何尺寸有关。另外，冲击吸能特性还和冲击速度密切相关。

该拉胀多胞构型的孔隙率可以达到99％以上，可以实现轻质化。同时不仅可以通过3D打印技术快速精准的打印出来，还可以通过传统工艺进行批量制造。

附图说明

图1为本发明的拉胀多胞构型的吸能结构部件示意图；

图2为图1结构的单胞结构示意图；

图3为经典内凹结构示意图；

图4为图3结构的单胞结构示意图；

图5为双箭头型结构示意图；

图6为图5结构的单胞结构示意图；

图7为三维拉胀多胞构型的单胞在空间线性阵列示意图；

图8为图7结构的单胞结构示意图；

图9为相对密度相同的情况下，本发明拉胀多胞新构型的二维结构与经典内凹结构应力-应变曲线对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细的描述。

如图1所示，本发明为一种基于拉胀多胞构型的吸能结构部件，其基本组成单元为如图2所示一个二维单胞结构，该单胞包括位于中间位置的内凹特征结构(B-G-L-M-H-C)、该内凹结构左右两边两个相同的箭头型特征结构(A-F-K-G和D-H-N-I)，以及与这两个箭头型结构内凹角顶点(点F和点I)固接的各半个内凹结构单胞(A-F-E-K和D-I-J-N)。拉胀多胞构型的单胞保持构成其的内凹结构和箭头型结构的基本结构特征，其中拉胀多胞构型单胞中的内凹特征结构水平横杆和倾斜杆之间的夹角和其箭头型结构较短倾斜杆与x轴的夹角应该相等，并且α和θ均小于90°，α总是小于θ。单胞中各杆的横截面有多种选择，可以是长方形、正方形、圆形、椭圆形、三角形、梯形等多边形，也可以是环形、工字形、槽形。通过改变单胞中杆的长细比，以及角度α和θ的大小，即可调节杨氏模量和泊松比等弹性性能，以及抗压缩强度和冲击吸能特性。

如图7为三维拉胀多胞构型，其基本组成单元为如图8所示一个三维单胞结构，该单胞包括两个相同的二维拉胀多胞新构型的单胞1和2，两个二维拉胀多胞新构型的单胞在节点E、F、G、H、I和J处重合并固接，且共用一个对称轴3；两个二维拉胀多胞新构型的单胞1和2的空间夹角β为90°。三维拉胀单胞在x和y方向上进行平行阵列，得到一层结构，然后再在z方向上进行堆叠阵列，就可以得到在x、y和z方向上周期性排布的阵列结构。在此只是列举出了一种空间排布形式，其他排布形式亦包涵在内。该三维拉胀多胞新构型可以通过光固化立体造型技术、熔融沉积成型技术、选区激光熔化技术和激光净成型技术等3D打印技术进行制备，材料主要是塑料和金属。

如图9所示，对该二维拉胀多胞新构型沿x方向进行了准静态压缩数值模拟。单胞的具体尺寸为：l＝5mm，h＝5mm，α＝30°，θ＝60°。拉胀多胞新构型和经典内凹结构的横截面为矩形，面外方向均为一个单元长度，并保证二者的相对密度均为0.1。本发明的拉胀多胞构型单胞在x和y方向上进行平行阵列，有限元模型在x方向的总长度和y方向的总高度分别为150mm和130mm；经典内凹结构有限元模型在x方向的总长度和y方向的总高度分别为135mm和121mm。压缩后其应力-应变曲线如图9所示。可以看出本发明的二维拉胀多胞构型沿x方向准静态压缩时具有明显的两段式平台应力，与经典内凹结构相比，更有利于抵抗压缩载荷，所能吸收的能量也更多。

如图3、4所示，为经典内凹特征结构及其单胞结构。经典内凹特征结构的单胞呈左右对称和上下对称，由对称性可知，内凹特征结构完整单胞的四分之一依次通过在x轴和y轴对称排布组成一个完整的内凹特征结构完整单胞，内凹特征结构完整单胞的四分之一由一根斜杆两端分别连接半根水平横杆构成；内凹特征结构可由水平横杆的长度为h、倾斜杆的长度为l以及水平横杆与倾斜杆之间的夹角θ唯一确定，水平横杆和倾斜杆之间的夹角θ小于90o。

如图5、6所示，为箭头型结构及其单胞结构。箭头型结构的单胞呈上下对称，由两根关于x轴镜像对称并一端相连的长杆和两根关于x轴镜像对称并一端相连的短杆构成，长杆的另一端连接着短杆的另一端，所述箭头型结构由较短的倾斜杆的长度为l、较长的斜杆与x轴的夹角α和较短的斜杆与x轴的夹角θ唯一确定，α和θ均小于90o，并且α总是小于θ。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拉胀多胞构型，其特征在于：所述拉胀多胞构型由多个单胞排列构成，每个单胞由两个内凹特征结构和两个箭头型结构拼接构成；所述两个箭头型结构对称地连接在最中间内凹特征结构的左右两个内凹角的顶点处；所述两个箭头型结构内凹角的顶点处又分别连接着另外两个内凹特征结构的半个横杆；

所述内凹特征结构呈左右对称和上下对称，由对称性可知，内凹特征结构完整单胞的四分之一依次通过在x轴和y轴对称排布组成一个完整的内凹特征结构完整单胞，内凹特征结构完整单胞的四分之一由一根斜杆两端分别连接半根水平横杆构成；内凹特征结构由水平横杆的长度为h、倾斜杆的长度为l以及水平横杆与倾斜杆之间的夹角θ唯一确定，水平横杆和倾斜杆之间的夹角θ小于90°；

所述箭头型结构呈上下对称，所述箭头型结构由两根关于x轴镜像对称并一端相连的长杆和两根关于x轴镜像对称并一端相连的短杆构成，长杆的另一端连接着短杆的另一端，所述箭头型结构由较短的倾斜杆的长度为l、较长的斜杆与x轴的夹角α和较短的斜杆与x轴的夹角θ唯一确定，α和θ均小于90°，并且α总是小于θ；

所述拼接内凹特征结构和箭头型结构时，其中内凹特征结构倾斜杆的长度和其中箭头型结构较短倾斜杆的长度相同；单胞中的内凹特征结构的水平横杆和倾斜杆之间的夹角和其中箭头型结构较短倾斜杆与x轴的夹角相等；

所述多个单胞在水平方向和竖直方向呈阵列的排列方式，从而得到拉胀多胞构型。

2.根据权利要求1所述的一种拉胀多胞构型，其特征在于：所述阵列的排列方式当为在平面内周期性排布时，得到二维拉胀多胞构型。

3.根据权利要求2所述的一种拉胀多胞构型，其特征在于：所述每个二维拉胀多胞构型的单胞通过空间变化得到三维拉胀多胞构型的单胞；然后三维拉胀多胞构型的单胞再通过空间阵列的方式，在空间三个方向上周期性排布，得到三维拉胀多胞构型。

4.根据权利要求1或2所述的一种拉胀多胞构型，其特征在于：所述夹角α和θ均小于90°，并且α总是小于θ。

5.根据权利要求1或2所述的一种拉胀多胞构型，其特征在于：拉胀结构中的水平横杆或倾斜杆的横截面为环形、工字形、槽形、圆形、椭圆形或多边形，所述多边形包括长方形、正方形、菱形、三角形或梯形。

6.根据权利要求1或2所述的一种拉胀多胞构型，其特征在于：所述拉胀多胞构型，通过3D打印技术进行制备，所述3D打印技术为光固化立体造型技术、熔融沉积成型技术、选区激光熔化技术或激光净成型技术。

7.根据权利要求1或2所述的一种拉胀多胞构型，其特征在于：所述拉胀多胞构型材料为塑料或金属。

8.根据权利要求1或2所述的一种拉胀多胞构型，其特征在于：所述拉胀多胞构型的孔隙率达到99％以上。

9.一种吸能结构部件，其特征在于：采用权利要求1-8任意之一所述的拉胀多胞构型实现。

10.根据权利要求9所述的吸能结构部件，其特征在于：通过改变水平横杆或倾斜杆的长细比，以及夹角α和θ的大小，调节弹性性能、抗压缩强度或冲击吸能特性，所述弹性性能包括杨氏模量和泊松比；所述泊松比在只考虑弹性性能的静态拉伸和压缩时总是负值，且x、y两个方向的泊松比均是负值。