CN109451126A - 一种具有负泊松比效应的手机壳及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有负泊松比效应的手机壳及其设计方法，包括具有负泊松比设计的手机壳背板和手机壳角部，以及具有匹配设计的手机壳侧身；所述手机壳背板和手机壳角部为具有周期性横竖交替的孔洞的空隙结构；每个细长的空隙结构有长轴和短轴，一个细长的孔洞的中轴线轴垂直于另一个细长的孔洞的中轴线，每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成空隙结构，此空隙结构便为具有负泊松比效应的空隙结构。本发明设计出的手机壳具有较大的负泊松比效应且能同时在轴向拉伸、压缩和弯曲下表现出负泊松比效应，其在保护手机方面相交于传统的手机壳具有更好的抗冲击性，变形和散热性等特点，更好地适应实际应用的需求。

Description

一种具有负泊松比效应的手机壳及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种通过设计具有负泊松比穿孔结构来设计具有负泊松比效应的手机壳，并提出了负泊松比手机壳的设计方法，属于新材料和新结构领域。
背景技术
智能手机作为科技集成度较高的设备，已经成为人们生活中不可或缺的部分，这就对手机的保护提出了巨大的挑战。当手机受到撞击时对电路板的损伤特别大，但现有的手机壳塑料结构强度低，在手机摔落或者受到冲击时容易发生折弯现象，且本身耐热性、耐老化性较差，较高温度下压力折减，承压能力低，对手机的保护作用满足不了需求。负泊松比防护部件是将负泊松比材料应用于实际的一条思路，根据负泊松比拉胀压缩的特性进行负泊松比手机防护部件的设计制造。
负泊松材料在过去多年的研究中里吸引了越来越多研究者们的兴趣。导致固体负泊松比行为的机制有多种，其中之一是旋转刚性单元机制，一直是深入研究的课题。该机制作用于各种长度尺度:从纳米尺度到宏观尺度，在负泊松比材料的工程中应用相对容易。也就是说，可以以各种(周期)方式切割一定形状的孔洞，得到连接在狭窄区域内的刚性单元，这些区域模仿铰链，允许刚性单元旋转。椭圆空洞是Bertoldi和他的同事在论文中首次提出的。一旦周期性地切割孔洞，孔洞就可以填充不同力学性能的材料。这就引出了由负泊松比材或传统材料组成的周期性复合材料的概念。近年来，越来越多的研究者投身到负泊松比相关产品的设计和研发中。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，将结构优化和3D打印技术相结合，设计和制造了具实用性的负泊松比手机壳，并提出了具体设计方法，设计的手机壳具有比传统手机壳更好的抗冲击性，变形性和散热性。
本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的手机壳，包括具有负泊松比设计的手机壳背板和手机壳角部，以及具有匹配设计的手机壳侧身；
所述手机壳背板和手机壳角部为具有周期性横竖交替的孔洞的空隙结构；
所述空隙结构包括若干孔洞，一个孔洞的中轴线轴垂直于相邻另一个孔洞的中轴线，孔洞被安排在一个数组的行和列，每一行和每一列的交替之间为两个相互垂直的孔洞，即每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成空隙结构，此空隙结构便为具有负泊松比效应的空隙结构；
所述手机壳的厚度d满足：1mm<d<2.5mm；
所述手机壳的厚度d和手机壳角部的圆弧半径r的关系满足：0.1>d/r＞0.3；
所述手机壳的宽度L1与手机壳的厚度d的关系满足：0.015<d/L1<0.045；
所述手机壳的长度L2与手机壳的厚度d的关系满足：0.007<d/L2<0.022；
所述手机壳角部弯曲部分与手机壳中轴线的夹角θ满足：65°<θ<105°。
作为优选，所述孔洞包括椭圆形、三角形和多边形。
上述一种具有负泊松比效应的手机壳的设计方法，包括以下步骤：
1)确定手机壳各组成部分的形状和尺寸，包括手机壳背板和手机壳侧身的长宽高、手机壳角部的弧形半径和角度、整体的的厚度以及侧身的开孔尺寸，以及音量键、电源键、听筒和摄像头等的尺寸和开孔位置；
2)根据已选择好的手机壳尺寸，设计手机壳背板和手机壳角部的负泊松比孔洞结构：设计好周期性交替的空隙结构后，采用相应的有限元软件分析其负泊松比行为，并根据其具体手机壳尺寸分析结果，调整孔洞形状、孔洞大小、孔洞间距和相关构件的细部尺寸，确定侧边部件的孔洞尺寸，建立三维模型；
3)采用3D打印技术制作出具有负泊松比效应的手机壳，进行简单的实验验证，选择出满足要求的手机壳，即手机壳具有较好的抗冲击性、变形特性和散热性，符合实际使用的需求。
本发明其产生负泊松比效应的关键在于手机了背板和角部的负泊松孔洞结构的设计。在满足3D打印制作要求的情况下，保证横竖交替的孔状结构足够小，使手机壳的背板和角部具有负泊松比效应，从而使得手机壳整体也具有负泊松比效应。通过该方法所设计出的手机壳具有明显的负泊松比效应，同时能在大的应变范围内维持负泊松比性能。此外，所设计的负泊松比手机壳不仅能在轴向拉伸压缩下表现出负泊松比性能，同时在弯曲作用下也能表现负泊松比性能。
本发明的优势：利用该方法设计出的手机壳具有较大的负泊松比效应且能同时在轴向拉伸、压缩和弯曲下表现出负泊松比效应，其在保护手机方面相交于传统的手机壳具有更好的抗冲击性，变形和散热性等特点，更好地适应实际应用的需求。
有益效果：本发明将负泊松比孔洞结构和3D打印制造工艺相结合，设计和制作首个具有负泊松比效应的手机壳，其能在冲击荷载和拉伸应变下均表现出负泊松比特性。3D打印技术，亦被称为增材制造技术。利用这一新技术，可以打印形状复杂的三维负泊松比材料和结构。设计和制造的负泊松比材料基材大多为橡胶，具有较好的承载能力和抗冲击能力。利用三维橡胶负泊松比材料和先进的3D打印技术相结合生产出具有实际应用价值的负泊松比手机壳与传统手机壳相比，负泊松比手机壳更加轻薄实用，具有非常重要的科学意义和一定的应用价值。
附图说明
图1a为具有负泊松比效应的手机壳结构示意图；
图1b为图1a边角部分的剖面图。
图1c为图1a的仰视图；
图1d为图1a的侧视图；
图2a为空隙结构单位单元；
图2b为空隙结构单位单元荷载传递路径。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步描述：
如图1a-1d所示，一种具有负泊松比效应的手机壳，包括具有负泊松比设计的手机壳背板1和手机壳角部2，以及具有匹配设计的手机壳侧身3、4、5、6；
所述手机壳背板1和手机壳角部2为具有周期性横竖交替的孔洞的空隙结构；
如图2a所述空隙结构包括若干孔洞，一个孔洞的中轴线轴垂直于相邻另一个孔洞的中轴线，孔洞被安排在一个数组的行和列，每一行和每一列的交替之间为两个相互垂直的孔洞，即每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成空隙结构，此空隙结构便为具有负泊松比效应的空隙结构；
所述手机壳的厚度d满足：1mm<d<2.5mm；
所述手机壳的厚度d和手机壳角部2的圆弧半径r的关系满足：0.1>d/r＞0.3；
所述手机壳的宽度L1与手机壳的厚度d的关系满足：0.015<d/L1<0.045；
所述手机壳的长度L2与手机壳的厚度d的关系满足：0.007<d/L2<0.022；
所述手机壳角部2弯曲部分与手机壳中轴线的夹角θ满足：65°<θ<105°。
所述孔洞包括椭圆形、三角形和多边形。
上述一种具有负泊松比效应的手机壳的设计详细步骤为：
1、确定手机壳各组成部分的形状和尺寸；
根据用途，确定设计的手机壳各组成尺寸，如手机壳长度L2、宽度L1和高度h、边角部分的弧形半径r、边角部分的弧度θ、手机壳的厚度d，以及根据实际需求确定音量键、电源键、听筒和摄像头等的尺寸和开孔位置。
2、设计具有周期横竖交替孔洞的穿孔结构，其孔状结构包括：①椭圆形；②三角形；③多边形。使手机壳背板和角部能够较好的展现出负泊松比效应，并进一步优化细部构件尺寸建立手机壳的三维模型；
多孔固体的结构是许多负泊松比性材料的基础，是一个相对成熟的领域。此处设计分析其负泊松比效应。
手机壳负泊松比部分包括背板和角部。其中背板定义了一个平面，孔洞图案可以包括椭圆形，三角形，多边形。此处以椭圆形为例，孔洞通过空隙之间的材料连接在一起，这些材料起关节作用，即类似于铰链，使这些孔洞相对旋转。孔洞部分通过铰链连接到相邻的孔洞，使多个孔洞在鞋底结构受拉时相对旋转，受力加载示意图如图2b所示。当背板的一部分受到纵向拉伸时，它在纵向和横向两个方向上都膨胀；当背板的一部分受到横向拉伸时，它在横向和纵向两个方向上都膨胀。当背板的一部分受到垂直压缩时，周边的孔洞被迫向孔洞的中心移动。手机壳角部的原理与背板类似，可以看作为一个空隙结构的平面通过弯折形成的一个弧形部件。
设计好周期性交替的空隙结构后，可以用相应的有限元软件分析其负泊松比行为，并根据其具体手机壳尺寸分析结果，调整孔洞形状、孔洞大小、孔洞间距和相关构件的细部尺寸，确定侧边部件的孔洞尺寸，建立三维模型。
3、采用3D打印技术生成所设计的具有负泊松比效应的手机壳。根据现场实验测试手机壳的负泊松比性能，挑选出符合实际尺寸和使用需求的手机壳。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本事例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种具有负泊松比效应的手机壳，其特征在于：包括具有负泊松比设计的手机壳背板和手机壳角部，以及具有匹配设计的手机壳侧身；
所述手机壳背板和手机壳角部为具有周期性横竖交替的孔洞的空隙结构；
所述空隙结构包括若干孔洞，一个孔洞的中轴线轴垂直于相邻另一个孔洞的中轴线，孔洞被安排在一个数组的行和列，每一行和每一列的交替之间为两个相互垂直的孔洞，即每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成空隙结构，此空隙结构便为具有负泊松比效应的空隙结构；
所述手机壳的厚度d满足：1mm<d<2.5mm；
所述手机壳的厚度d和手机壳角部的圆弧半径r的关系满足：0.1>d/r＞0.3；
所述手机壳的宽度L1与手机壳的厚度d的关系满足：0.015<d/L1<0.045；
所述手机壳的长度L2与手机壳的厚度d的关系满足：0.007<d/L2<0.022；
所述手机壳角部弯曲部分与手机壳中轴线的夹角θ满足：65°<θ<105°。
2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的手机壳，其特征在于：所述孔洞包括椭圆形、三角形和多边形。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有负泊松比效应的手机壳的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)确定手机壳各组成部分的形状和尺寸，包括手机壳背板和手机壳侧身的长宽高、手机壳角部的弧形半径和角度、整体的的厚度以及侧身的开孔尺寸，以及音量键、电源键、听筒和摄像头的尺寸和开孔位置；
2)根据已选择好的手机壳尺寸，设计手机壳背板和手机壳角部的负泊松比孔洞结构：设计好周期性交替的空隙结构后，采用相应的有限元软件分析其负泊松比行为，并根据其具体手机壳尺寸分析结果，调整孔洞形状、孔洞大小、孔洞间距和相关构件的细部尺寸，确定侧边部件的孔洞尺寸，建立三维模型；
3)采用3D打印技术制作出具有负泊松比效应的手机壳，进行实验验证，选择出满足要求的手机壳。
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