CN109944891B - 一种负泊松比结构的缓冲器 - Google Patents
一种负泊松比结构的缓冲器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109944891B CN109944891B CN201910292379.0A CN201910292379A CN109944891B CN 109944891 B CN109944891 B CN 109944891B CN 201910292379 A CN201910292379 A CN 201910292379A CN 109944891 B CN109944891 B CN 109944891B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- section
- type cell
- rod
- negative poisson
- shaped
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Vibration Dampers (AREA)
Abstract
一种负泊松比结构的缓冲器，其特征在于，包括：两个平行设置的圆环形板；以及杆型胞元体，设置在两个圆环形板之间，为负泊松比结构，由多个杆型胞元部按照以圆环形板的中心轴为轴心，以角度α为间隔的圆周阵列的方式进行排布，其中，0°<α<360°，杆型胞元部包括至少一个杆型胞元单元，杆型胞元单元包括至少三个圆杆，圆杆为M形，包括顺次连接的第一杆部、呈V形的第二杆部以及第三杆部，第一杆部的远离第二杆部的一端作为第一连接端，第三杆部的远离第二杆部的一端作为第二连接端，多个第一连接端对应连接并且多个第二连接端对应连接使得多个圆杆形成中心对称的结构。
Description
技术领域
本发明涉及减振技术领域，具体涉及一种负泊松比结构的缓冲器。
背景技术
随着科技的进步和3D打印技术的发展,越来越多的新材料被发现并被广泛应用，其中一种是泊松比结构的材料。
泊松比是指在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。常规材料在受到拉伸(或压缩)时，在垂直受力方向上会发生收缩(或膨胀)，这种材料称为正泊松比材料；与之相反，有些材料在垂直于受力的方向上发生膨胀(或收缩)变形，称为负泊松比材料。
长久以来，正泊松比结构被广泛地应用于减震装置领域，并取得了不错的效果，但是随着人们生活水平的提高，和物质需求的提升，正泊松比结构减震器的性能不能满足人们的需求，此时大家开始寻找各种材料改善减震装置的性能，经研究发现负泊松比结构的材料有着特殊的性质，是一种很好的减震装置材料。
这里选择两种外形尺寸相同的正泊松比模型进行参数举例，两种正泊松比模型的结构分别如图19和20所示，两种正泊松比模型的材料均为不锈钢，密度均为7980kg/m3，泊松比均为0.3，弹性模量均为193GPa，用有限元软件对设定的两种模型进行分析，约束方式均为一端固定，另一端单方向施加力，压力均为300N。这两种正泊松比模型的测试参数如表1所示。
表1数据结果表
然而，上述传统正泊松比结构的缓冲器存在孔隙率低、质量偏重、形变量偏大和承受最大应力值较小的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种负泊松比结构的缓冲器。
本发明提供了一种负泊松比结构的缓冲器，具有这样的特征，包括：两个平行设置的圆环形板；以及杆型胞元体，设置在两个圆环形板之间，为负泊松比结构，由多个杆型胞元部按照以圆环形板的中心轴为轴心，以角度α为间隔的圆周阵列的方式进行排布，其中，0°<α<360°，杆型胞元部包括至少一个杆型胞元单元，杆型胞元单元包括至少三个圆杆，圆杆为M形，包括顺次连接的第一杆部、呈V形的第二杆部以及第三杆部，第一杆部的远离第二杆部的一端作为第一连接端，第三杆部的远离第二杆部的一端作为第二连接端，多个第一连接端对应连接并且多个第二连接端对应连接使得多个圆杆形成中心对称的结构。
在本发明提供的一种负泊松比结构的缓冲器中，还可以具有这样的特征：其中，杆型胞元单元包括三个圆杆。
在本发明提供的一种负泊松比结构的缓冲器中，还可以具有这样的特征：其中，杆型胞元单元包括四个圆杆。
在本发明提供的一种负泊松比结构的缓冲器中，还可以具有这样的特征：其中，杆型胞元单元包括六个圆杆。
在本发明提供的一种负泊松比结构的缓冲器中，还可以具有这样的特征：其中，杆型胞元部包括至少两个杆型胞元单元，多个杆型胞元单元依次连接并且中心轴重合。
在本发明提供的一种负泊松比结构的缓冲器中，还可以具有这样的特征：其中，杆型胞元部包括多个杆型胞元单元，多个杆型胞元单元具有相同数目的圆杆。
在本发明提供的一种负泊松比结构的缓冲器中，还可以具有这样的特征：其中，杆型胞元部包括多个杆型胞元单元，多个杆型胞元单元具有不同数目的圆杆。
在本发明提供的一种负泊松比结构的缓冲器中，还可以具有这样的特征：其中，圆杆通过扫描拉伸形成。
在本发明提供的一种负泊松比结构的缓冲器中，还可以具有这样的特征：其中，圆杆通过3D打印形成。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的负泊松比结构的缓冲器，因为缓冲器包括多个杆型胞元单元，杆型胞元单元通过点阵形式进行排列形成杆型胞元单元部，杆型胞元单元部按照以圆环形板的中心轴为轴心，以角度α为间隔的圆周阵列的方式进行排布，0°<α<360°，形成一个稳定的圆环结构，圆环结构再通过两圆环形刚性板进行连接，其中，两圆环形刚性板平行正对设置，圆环结构设置在两圆环形刚性板之间，并且两圆环形刚性板的形状、尺寸和大小相同，圆环结构与两圆环形刚性板相接触且连接在一起，所以缓冲器能够形成几何稳定的缓冲器，又因为该缓冲器采用负泊松比结构，所以同时又形成内部结构稳定的缓冲器。
另外，杆型胞元部包括至少一个杆型胞元单元，杆型胞元单元包括至少三个圆杆，圆杆为M形，包括顺次连接的第一杆部、呈V形的第二杆部以及第三杆部，第一杆部的远离第二杆部的一端作为第一连接端，第三杆部的远离第二杆部的一端作为第二连接端，多个第一连接端对应连接并且多个第二连接端对应连接使得多个圆杆形成中心对称的结构。所以，这种形成的中心对称结构的杆型胞元单元在中心轴方向具有稳定的结构。
此外，因为当负泊松比结构的物体受到压力时，负泊松比结构会产生径向收缩的效果，当受到拉力时，负泊松比结构会产生纵向膨胀的性质，所以，本发明的负泊松比结构的缓冲器在结构上具有径向保护其他构件不会被挤压的效果，纵向吸收更多能量的效果，在结构上就明显优于目前普遍采用的正泊松比结构。
附图说明
图1是本发明的实施例一中负泊松比结构的缓冲器的结构示意图；
图2是本发明的实施例一中圆杆的结构示意图；
图3是本发明的实施例一中三个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图；
图4是本发明的实施例一中圆杆的形成示意图；
图5是本发明的实施例二中负泊松比结构的缓冲器的结构示意图；
图6是本发明的实施例二中圆杆的结构示意图；
图7是本发明的实施例二中四个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图；
图8是本发明的实施例二中圆杆的形成示意图；
图9是本发明的实施例三中负泊松比结构的缓冲器的结构示意图；
图10是本发明的实施例三中圆杆的结构示意图；
图11是本发明的实施例三中六个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图；
图12是本发明的实施例三中圆杆的形成示意图；
图13是本发明的实施例四中负泊松比结构的结构缓的冲器示意图；
图14是本发明的实施例四中圆杆的结构示意图；
图15是本发明的实施例四中三个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图；
图16是本发明的实施例四中四个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图；
图17是本发明的实施例四中六个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图；
图18是本发明的实施例四中圆杆的形成示意图；
图19是现有技术中的正泊松比的圆形缓冲器模型的结构示意图；以及
图20是现有技术中的正泊松比的梯形缓冲器模型的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明负泊松比结构的缓冲器作具体阐述。
<实施例一>
图1是本发明的实施例一中负泊松比结构的缓冲器的结构示意图。
如图1所示，本实施例中的负泊松比结构缓冲器包括第一刚性板101、第二刚性板102以及杆型胞元体103。
第一刚性板101和第二刚性板102平行设置，第一刚性板101设置在第二刚性板102的对侧，并且第一刚性板101和第二刚性板102的形状、尺寸和大小相同，第一刚性板101为圆环形板，圆环形板的内外径之差为40mm。
杆型胞元体103设置在第一刚性板101和第二刚性板102之间，杆型胞元体103的两端分别与第一刚性板101和第二刚性板102相接触并连接。杆型胞元体103包括至少两个杆型胞元部104。杆型胞元部104按照以第一刚性板101的中心轴为轴心，以角度11.25为间隔半径为77.5mm的圆周阵列的方式进行排布形成杆型胞元体103。在本实施例中，杆型胞元部104的数目为32个。
杆型胞元部104包括至少一个杆型胞元单元，在本实施例中，杆型胞元单元的数目为四个。
图2是本发明的实施例一中圆杆的结构示意图。
图3是本发明的实施例一中三个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图。
如图2和图3所示，负泊松比结构缓冲器，杆型胞元单元包括至少三个圆杆105，本实施例中的杆型胞元单元包括三个圆杆305，圆杆105为M形，包括顺次连接的第一杆部106、呈V形的第二杆部107以及第三杆部108，第一杆部106的远离第二杆部107的一端作为第一连接端109，第三杆部108的远离第二杆部107的一端作为第二连接端110，三个第一连接端109对应连接并且三个第二连接端110对应连接使得三个圆杆105形成中心对称的结构111，并且圆杆105之间的夹角为120°。
图4是本发明的实施例一中圆杆的形成示意图。
如图4所示，在本实施例中，圆杆105通过轮廓线112沿着引导线113的方向进扫描拉伸形成。
引导线为M形，包括顺次连接的第一段114、呈V形的第二段115以及第三段116，第一段114的靠近第二段115的一端作为第一连接段117，第三段116的靠近第二段115的一端作为第二连接段118，第一段114的远离第二段115的一端作为第三连接段119，第三段116的远离第二段115的一端作为第四连接段120，第一连接段117和第二连接段118为平滑连接的方式，第一连接段117和第二连接段118的角平分线处延伸出一条直线，这条直线垂直于第三连接段119和第四连接段120的连线上，垂点同时位于连线上，这条垂线的长度为9mm。
轮廓线112以引导线113的第四连接段120端部为圆心以1mm为半径形成一个垂直于引导线的圆。
在相同的条件下，对本实施例中的负泊松比结构缓冲器和现有技术中正泊松比结构缓冲器的以下参数进行测试：
本实施例中的负泊松比模型的结构如图1所示，三种泊松比模型的材料均为不锈钢，密度均为7980kg/m3，泊松比均为0.3，弹性模量均为193GPa，用有限元软件对设定的两种模型进行分析，约束方式均为一端固定，另一端单方向施加力，压力均为300N。这三种泊松比模型的测试参数如表2所示。
表2数据结果表
实施例一的作用与效果
根据本实施例中所涉及的负泊松比结构的缓冲器，因为缓冲器的杆型胞元单元通过点阵形式进行排列形成杆型胞元单元部，杆型胞元单元部按照以圆环形板的中心轴为轴心，以角度α为间隔的圆周阵列的方式进行排布，0°<α<360°，形成一个稳定的圆环结构——杆型胞元体，杆型胞元体再通过两圆环形刚性板进行连接，其中，两圆环形刚性板平行正对设置，杆型胞元体103设置在两圆环形刚性板之间，杆型胞元体与两圆环形刚性板相接触且连接在一起，所以形成几何稳定的缓冲器，又因为采用负泊松比结构，所以同时又形成内部整体结构稳定的缓冲器。
另外，因为杆型胞元部包括至少一个杆型胞元单元，在本实施例中，杆型胞元单元包括由三个圆杆组成的圆杆，圆杆为M形，包括顺次连接的第一杆部、呈V形的第二杆部以及第三杆部，第一杆部的远离第二杆部的一端作为第一连接端，第三杆部的远离第二杆部的一端作为第二连接端，三个第一连接端对应连接并且三个第二连接端对应连接使得三个圆杆形成中心对称的结构，并且三个圆杆之间的夹角为120°。所以，这种形成的中心对称结构的杆型胞元单元在中心轴方向具有稳定的结构。
此外，因为在负泊松比结构的物体受到压力时，负泊松比结构会产生径向收缩的效果，在受到拉力时，负泊松比结构会产生纵向膨胀的性质，所以，本发明的负泊松比结构的缓冲器在结构上具有径向保护其他构件不会被挤压的效果，纵向吸收更多能量的效果，在结构上就明显优于目前普遍采用的正泊松比结构。
进一步地，因为杆型胞元部包括四个杆型胞元单元，四个杆型胞元单元依次连接并且中心轴重合，所以这种依次连接的中心轴重合结构就具有中心轴方向上的稳定性。
进一步地，因为圆杆通过轮廓线方向沿着引导线进扫描拉伸形成，所以圆杆的设计简单，易于形成工业化产品。
通过实验验证，本实施例一中所涉及的负泊松比结构缓冲器，三个圆杆组成的杆型胞元单元的负泊松比结构缓冲器孔隙率较高、质量较轻、形变量较小和承受最大应力值较大。
<实施例二>
图5是本发明的实施例二中负泊松比结构的缓冲器的结构示意图。
如图5所示，本实施例中的负泊松比结构缓冲器包括第一刚性板201、第二刚性板202以及杆型胞元体203。
第一刚性板201和第二刚性板202平行设置，第一刚性板201设置在第二刚性板202的对侧，并且第一刚性板201和第二刚性板202的形状、尺寸和大小相同，第一刚性板201为圆环形板，圆环形板的内外径之差为40mm。
杆型胞元体203设置在第一刚性板201和第二刚性板202之间，杆型胞元体203的两端分别与第一刚性板201和第二刚性板202相接触并连接。杆型胞元体203包括至少两个杆型胞元部204。杆型胞元部204按照以第一刚性板201的中心轴为轴心，以角度11.25为间隔半径为105mm的圆周阵列的方式进行排布形成杆型胞元体203。在本实施例中，杆型胞元部204的数目为32个。
杆型胞元部204包括至少一个杆型胞元单元，在本实施例中，杆型胞元单元的数目为四个。
图6是本发明的实施例二中圆杆的结构示意图。
图7是本发明的实施例二中四个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图。
如图6和图7所示，负泊松比结构缓冲器，杆型胞元单元包括至少三个圆杆205，本实施例中的杆型胞元单元包括四个圆杆205，圆杆205为M形，包括顺次连接的第一杆部206、呈V形的第二杆部207以及第三杆部208，第一杆部206的远离第二杆部207的一端作为第一连接端209，第三杆部208的远离第二杆部207的一端作为第二连接端210，四个第一连接端209对应连接并且四个第二连接端210对应连接使得四个圆杆205形成中心对称的结构211，并且圆杆205之间的夹角为90°。
图8是本发明的实施例二中圆杆的形成示意图。
如图8所示，在本实施例中，圆杆205通过轮廓线212沿着引导线213的方向进扫描拉伸形成。
引导线为M形，包括顺次连接的第一段214、呈V形的第二段215以及第三段216，第一段214的靠近第二段215的一端作为第一连接段217，第三段216的靠近第二段215的一端作为第二连接段218，第一段214的远离第二段215的一端作为第三连接段219，第三段216的远离第二段215的一端作为第四连接段220，第一连接段217和第二连接段218为平滑连接的方式，第一连接段217和第二连接段218的角平分线处延伸出一条直线，这条直线垂直于第三连接段219和第四连接段220的连线上，垂点同时位于连线上，这条垂线的长度为9mm。
轮廓线212以引导线213的第四连接段220端部为圆心以1mm为半径形成一个垂直于引导线的圆。
在相同的条件下，对本实施例中的负泊松比结构缓冲器和现有技术中正泊松比结构缓冲器的以下参数进行测试：
本实施例中的负泊松比模型的结构如图5所示，三种泊松比模型的材料均为不锈钢，密度均为7980kg/m3，泊松比均为0.3，弹性模量均为193GPa，用有限元软件对设定的三种模型进行分析，约束方式均为一端固定，另一端单方向施加力，压力均为300N。这三种泊松比模型的测试参数如表3所示。
表3数据结果表
实施例二的作用与效果
根据本实施例中所涉及的负泊松比结构的缓冲器，因为缓冲器的杆型胞元单元通过点阵形式进行排列形成杆型胞元单元部，杆型胞元单元部按照以圆环形板的中心轴为轴心，以角度α为间隔的圆周阵列的方式进行排布，0°<α<360°，形成一个稳定的圆环结构——杆型胞元体，杆型胞元体再通过两圆环形刚性板进行连接，其中，两圆环形刚性板平行正对设置，杆型胞元体设置在两圆环形刚性板之间，杆型胞元体与两圆环形刚性板相接触且连接在一起，所以形成几何稳定的缓冲器，又因为采用负泊松比结构，所以同时又形成内部整体结构稳定的缓冲器。
另外，因为杆型胞元部包括至少一个杆型胞元单元，在本实施例中，杆型胞元单元包括由四个圆杆组成的圆杆，圆杆为M形，包括顺次连接的第一杆部、呈V形的第二杆部以及第三杆部，第一杆部的远离第二杆部的一端作为第一连接端，第三杆部的远离第二杆部的一端作为第二连接端，四个第一连接端对应连接并且四个第二连接端对应连接使得四个圆杆形成中心对称的结构，并且四个圆杆之间的夹角为90°。所以，这种形成的中心对称结构的杆型胞元单元在中心轴方向具有稳定的结构。
此外，因为在负泊松比结构的物体受到压力时，负泊松比结构会产生径向收缩的效果，在受到拉力时，负泊松比结构会产生纵向膨胀的性质，所以，本发明的负泊松比结构的缓冲器在结构上具有径向保护其他构件不会被挤压的效果，纵向吸收更多能量的效果，在结构上就明显优于目前普遍采用的正泊松比结构。
进一步地，因为杆型胞元部包括四个杆型胞元单元，四个杆型胞元单元依次连接并且中心轴重合，所以这种依次连接的中心轴重合结构就具有中心轴方向上的稳定性。
进一步地，因为圆杆通过轮廓线方向沿着引导线进扫描拉伸形成，所以圆杆的设计简单，易于形成工业化产品。
通过实验验证，本实施例二中所涉及的负泊松比结构缓冲器，四个杆组成的杆型胞元单元的负泊松比结构缓冲器孔隙率较高、质量较轻、形变量较小和承受最大应力值较大。
<实施例三>
图9是本发明的实施例三中负泊松比结构的缓冲器的结构示意图。
如图9所示，本实施例中的负泊松比结构缓冲器包括第一刚性板301、第二刚性板302以及杆型胞元体303。
第一刚性板301和第二刚性板302平行设置，第一刚性板301设置在第二刚性板302的对侧，并且第一刚性板301和第二刚性板302的形状、尺寸和大小相同，第一刚性板301为圆环形板，圆环形板的内外径之差为40mm。
杆型胞元体303设置在第一刚性板301和第二刚性板302之间，杆型胞元体303的两端分别与第一刚性板301和第二刚性板302相接触并连接。杆型胞元体303包括至少两个杆型胞元部304。杆型胞元部304按照以第一刚性板301的中心轴为轴心，以角度11.25为间隔半径为105mm的圆周阵列的方式进行排布形成杆型胞元体303。在本实施例中，杆型胞元部304的数目为32个。
杆型胞元部304包括至少一个杆型胞元单元，在本实施例中，杆型胞元单元的数目为四个。
图10是本发明的实施例三中圆杆的结构示意图。
图11是本发明的实施例三中六个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图。
如图10和图11所示，负泊松比结构缓冲器，杆型胞元单元包括至少三个圆杆305，本实施例中的杆型胞元单元包括六个圆杆305，圆杆305为M形，包括顺次连接的第一杆部306、呈V形的第二杆部307以及第三杆部308，第一杆部306的远离第二杆部307的一端作为第一连接端309，第三杆部308的远离第二杆部307的一端作为第二连接端310，六个第一连接端309对应连接并且六个第二连接端310对应连接使得六个圆杆305形成中心对称的结构311，并且圆杆305之间的夹角为60°。
图12是本发明的实施例三中圆杆的形成示意图。
如图12所示，在本实施例中，圆杆305通过轮廓线312沿着引导线313的方向进扫描拉伸形成。
引导线为M形，包括顺次连接的第一段314、呈V形的第二段315以及第三段316，第一段314的靠近第二段315的一端作为第一连接段317，第三段316的靠近第二段315的一端作为第二连接段318，第一段314的远离第二段315的一端作为第三连接段319，第三段316的远离第二段315的一端作为第四连接段320，第一连接段317和第二连接段318为平滑连接的方式，第一连接段317和第二连接段318的角平分线处延伸出一条直线，这条直线垂直于第三连接段319和第四连接段320的连线上，垂点同时位于连线上，这条垂线的长度为9mm。
轮廓线312以引导线313的第四连接段320端部为圆心以1mm为半径形成一个垂直于引导线的圆。
在相同的条件下，对本实施例中的负泊松比结构缓冲器和现有技术中正泊松比结构缓冲器的以下参数进行测试：
本实施例中的负泊松比模型的结构如图9所示，三种泊松比模型的材料均为不锈钢，密度均为7980kg/m3，泊松比均为0.3，弹性模量均为193GPa，用有限元软件对设定的三种模型进行分析，约束方式均为一端固定，另一端单方向施加力，压力均为300N。这三种泊松比模型的测试参数如表4所示。
表4数据结果表
实施例三的作用与效果
根据本实施例中所涉及的负泊松比结构的缓冲器，因为缓冲器的杆型胞元单元通过点阵形式进行排列形成杆型胞元单元部，杆型胞元单元部按照以圆环形板的中心轴为轴心，以角度α为间隔的圆周阵列的方式进行排布，0°<α<360°，形成一个稳定的圆环结构——杆型胞元体，杆型胞元体再通过两圆环形刚性板进行连接，其中，两圆环形刚性板平行正对设置，杆型胞元体设置在两圆环形刚性板之间，杆型胞元体与两圆环形刚性板相接触且连接在一起，所以形成几何稳定的缓冲器，又因为采用负泊松比结构，所以同时又形成内部整体结构稳定的缓冲器。
另外，因为杆型胞元部包括至少一个杆型胞元单元，在本实施例中，杆型胞元单元包括由六个圆杆组成的圆杆，圆杆为M形，包括顺次连接的第一杆部、呈V形的第二杆部以及第三杆部，第一杆部的远离第二杆部的一端作为第一连接端，第三杆部的远离第二杆部的一端作为第二连接端，六个第一连接端对应连接并且六个第二连接端对应连接使得六个圆杆形成中心对称的结构，并且六个圆杆之间的夹角为60°。所以，这种形成的中心对称结构的杆型胞元单元在中心轴方向具有稳定的结构。
此外，因为在负泊松比结构的物体受到压力时，负泊松比结构会产生径向收缩的效果，在受到拉力时，负泊松比结构会产生纵向膨胀的性质，所以，本发明的负泊松比结构的缓冲器在结构上具有径向保护其他构件不会被挤压的效果，纵向吸收更多能量的效果，在结构上就明显优于目前普遍采用的正泊松比结构。
进一步地，因为杆型胞元部包括四个杆型胞元单元，四个杆型胞元单元依次连接并且中心轴重合，所以这种依次连接的中心轴重合结构就具有中心轴方向上的稳定性。
进一步地，因为圆杆通过轮廓线方向沿着引导线进扫描拉伸形成，所以圆杆的设计简单，易于形成工业化产品。
通过实验验证，本实施例三中所涉及的负泊松比结构缓冲器，六个圆杆组成的杆型胞元单元的负泊松比结构缓冲器孔隙率较高、质量较轻、形变量较小和承受最大应力值较大。
<实施例四>
图13是本发明的实施例四中负泊松比结构的结构缓的冲器示意图。
如图13所示，本实施例中的负泊松比结构缓冲器包括第一刚性板401、第二刚性板402以及杆型胞元体403。
第一刚性板401和第二刚性板402平行设置，第一刚性板401设置在第二刚性板402的对侧，并且第一刚性板401和第二刚性板402的形状、尺寸和大小相同，第一刚性板401为圆环形板，圆环形板的内外径之差为40mm。
杆型胞元体403设置在第一刚性板401和第二刚性板402之间，杆型胞元体403的两端分别与第一刚性板401和第二刚性板402相接触并连接。杆型胞元体403包括至少两个杆型胞元部404。杆型胞元部404按照以第一刚性板401的中心轴为轴心，以角度11.25为间隔半径为105mm的圆周阵列的方式进行排布形成杆型胞元体403。在本实施例中，杆型胞元部404的数目为32个。
杆型胞元部404包括至少一个杆型胞元组件，在本实施例中，杆型胞元组件的数目为一个。杆型胞元组件包括三个杆型胞元单元，分别为第一杆型胞元单元、第二杆型胞元单元以及第三杆型胞元单元。第一杆型胞元单元、第二杆型胞元单元以及第三杆型胞元单元依次连接，且三个杆型胞元单元的中心轴重合。
图14是本发明的实施例四中圆杆的结构示意图。
图15是本发明的实施例四中三个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图。
图16是本发明的实施例四中四个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图。
图17是本发明的实施例四中六个圆杆组成的杆型胞元的结构示意图。
如图14、15、16以及图17所示，本实施例中的第一杆型胞元单元包括三个圆杆405。
圆杆405为M形，包括顺次连接的第一杆部406、呈V形的第二杆部407以及第三杆部408，第一杆部406的远离第二杆部407的一端作为第一连接端409，第三杆部408的远离第二杆部407的一端作为第二连接端410，三个第一连接端409对应连接并且三个第二连接端410对应连接使得三个圆杆405形成中心对称的结构411，并且圆杆405之间的夹角为120°。
图18是本发明的实施例四中圆杆的形成结构示意图。
如图18所示，在本实施例中，圆杆405通过轮廓线414沿着引导线415的方向进扫描拉伸形成。
引导线为M形，包括顺次连接的第一段416、呈V形的第二段417以及第三段418，第一段416的靠近第二段417的一端作为第一连接段419，第三段418的靠近第二段417的一端作为第二连接段420，第一段416的远离第二段417的一端作为第三连接段421，第三段418的远离第二段417的一端作为第四连接段422，第一连接段419和第二连接段420为平滑连接的方式，第一连接段419和第二连接段420的角平分线处延伸出一条直线，这条直线垂直于第三连接段421和第四连接段422的连线上，垂点同时位于连线上，这条垂线的长度为9mm。
轮廓线414以引导线415的第四连接段422端部为圆心以1mm为半径形成一个垂直于引导线的圆。
实施例中的第二杆型胞元单元包括四个圆杆405。
圆杆405为M形，包括顺次连接的第一杆部406、呈V形的第二杆部407以及第三杆部408，第一杆部406的远离第二杆部407的一端作为第一连接端409，第三杆部408的远离第二杆部407的一端作为第二连接端410，四个第一连接端409对应连接并且四个第二连接端410对应连接使得四个圆杆405形成中心对称的结构412，并且圆杆405之间的夹角为90°。
图18是本发明的实施例四中圆杆的形成示意图。
如图18所示，在本实施例中，圆杆405通过轮廓线414沿着引导线415的方向进扫描拉伸形成。
引导线为M形，包括顺次连接的第一段416、呈V形的第二段417以及第三段418，第一段416的靠近第二段417的一端作为第一连接段419，第三段418的靠近第二段417的一端作为第二连接段420，第一段416的远离第二段417的一端作为第三连接段421，第三段418的远离第二段417的一端作为第四连接段422，第一连接段419和第二连接段420为平滑连接的方式，第一连接段419和第二连接段420的角平分线处延伸出一条直线，这条直线垂直于第三连接段421和第四连接段422的连线上，垂点同时位于连线上，这条垂线的长度为9mm。
轮廓线414以引导线415的第四连接段422端部为圆心以1mm为半径形成一个垂直于引导线的圆。
本实施例中的第三杆型胞元单元包括六个圆杆405。
圆杆405为M形，包括顺次连接的第一杆部406、呈V形的第二杆部407以及第三杆部408，第一杆部406的远离第二杆部407的一端作为第一连接端409，第三杆部408的远离第二杆部407的一端作为第二连接端410，六个第一连接端409对应连接并且六个第二连接端410对应连接使得六个圆杆405形成中心对称的结构413，并且圆杆405之间的夹角为60°。
图18是本发明的实施例四中圆杆的形成结构示意图。
如图18所示，在本实施例中，圆杆405通过轮廓线414沿着引导线415的方向进扫描拉伸形成。
引导线为M形，包括顺次连接的第一段416、呈V形的第二段417以及第三段418，第一段416的靠近第二段417的一端作为第一连接段419，第三段418的靠近第二段417的一端作为第二连接段420，第一段416的远离第二段417的一端作为第三连接段421，第三段418的远离第二段417的一端作为第四连接段422，第一连接段419和第二连接段420为平滑连接的方式，第一连接段419和第二连接段420的角平分线处延伸出一条直线，这条直线垂直于第三连接段421和第四连接段422的连线上，垂点同时位于连线上，这条垂线的长度为9mm。
轮廓线414以引导线415的第四连接段422端部为圆心以1mm为半径形成一个垂直于引导线的圆。
在实际应用中，杆型胞元组件的数目为多个，例如两个或两个以上。当杆型胞元组件的数目为多个时，多个杆型胞元组件件依次连接，且杆型胞元组件的中心轴重合。
在相同的条件下，对本实施例中的负泊松比结构缓冲器模型、例一缓冲器模型、例二缓冲器模型、例三缓冲器模型以及现有技术中正泊松比结构缓冲器的以下参数进行测试：
本实施例中的负泊松比模型的结构如图13所示，五种泊松比模型的材料均为不锈钢，密度均为7980kg/m3，泊松比均为0.3，弹性模量均为193GPa，用有限元软件对设定的五种模型进行分析，约束方式均为一端固定，另一端单方向施加力，压力均为300N。这五种泊松比模型的测试参数如表5所示。
表5数据结果表
实施例四的作用与效果
根据本实施例中所涉及的负泊松比结构的缓冲器，因为缓冲器的杆型胞元单元通过点阵形式进行排列形成杆型胞元单元部，杆型胞元单元部按照以圆环形板的中心轴为轴心，以角度α为间隔的圆周阵列的方式进行排布，0°<α<360°，形成一个稳定的圆环结构的杆型胞元体，杆型胞元体再通过两个圆环形刚性板进行连接，其中，两个圆环形刚性板平行正对设置，杆型胞元体设置在两个圆环形刚性板之间，杆型胞元体与两个圆环形刚性板相接触且连接在一起，所以形成几何稳定的缓冲器，又因为采用负泊松比结构，所以同时又形成内部整体结构稳定的缓冲器。
另外，因为杆型胞元部杆型胞元部包括至少一个杆型胞元组件，在本实施例中，杆型胞元组件的数目为一个。杆型胞元组件包括三个杆型胞元单元，分别为实施例一中的杆型胞元单元、实施例二中的杆型胞元单元以及实施例三中的杆型胞元单元，施例一中的杆型胞元单元、实施例二中的杆型胞元单元以及实施例三中的杆型胞元单元依次连接，且三个杆型胞元单元的中心轴重合。所以，杆型胞元组件在中心轴方向上具有稳定的结构。
此外，因为在负泊松比结构的物体受到压力时，负泊松比结构会产生径向收缩的效果，在受到拉力时，负泊松比结构会产生纵向膨胀的性质，所以，本发明的负泊松比结构的缓冲器在结构上具有径向保护其他构件不会被挤压的效果，纵向吸收更多能量的效果，在结构上就明显优于目前普遍采用的正泊松比结构。
进一步地，因为杆型胞元部包括三个杆型胞元单元，杆型胞元单元内的三个圆杆形成中心对称的结构、四个圆杆形成中心对称的结构以及六个圆杆形成中心对称的结构依次连接并且中心轴重合，所以这种依次连接的中心轴重合结构就具有中心轴方向上的稳定性。
进一步地，因为圆杆通过轮廓线方向沿着引导线进扫描拉伸形成，所以圆杆的设计简单，易于形成工业化产品。
通过实验验证，比较五种正负泊松比结构的孔隙率、质量、最大总变形和最大应力参数，得出如下结论：
(1)负泊松比结构具有更高的孔隙率，相同状况下负泊松比结构散热性能更好。
(2)负泊松比结构质量更轻，可以节省更多材料，减少运动惯量，节省能量。
(3)在受到相同压力时，负泊松比结构传递力的效果更加均匀，变形量更大，能吸收更多的能量，起到更好的缓冲作用。
(4)本实施例四中所涉及的负泊松比结构缓冲器为例一缓冲器、例二缓冲器以及例三缓冲器的优化缓冲器，在吸能、散热以及受力形变等方面都有着不错的效果。
(5)本实施例四中所涉及的负泊松比结构缓冲器比现有技术中正泊松比结构缓冲器孔隙率高、质量轻、形变量小和承受最大应力值大。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
例如，上述实施例一至四中，圆杆以扫描拉伸的方式形成，但在实际应用中，圆杆还可以通过3D打印的方式形成。
Claims (9)
1.一种负泊松比结构的缓冲器，其特征在于，包括：
两个平行设置的圆环形板；以及
杆型胞元体，设置在两个所述圆环形板之间，为负泊松比结构，由多个杆型胞元部按照以所述圆环形板的中心轴为轴心，以角度α为间隔的圆周阵列的方式进行排布，
其中，0°<α<360°，
所述杆型胞元部包括至少一个杆型胞元单元，
所述杆型胞元单元包括至少三个圆杆，
所述圆杆为M形，包括顺次连接的第一杆部、呈V形的第二杆部以及第三杆部，所述第一杆部的远离所述第二杆部的一端作为第一连接端，所述第三杆部的远离所述第二杆部的一端作为第二连接端，多个所述第一连接端对应连接并且多个所述第二连接端对应连接使得多个所述圆杆形成中心对称的结构；
所述圆杆通过圆形的轮廓线沿呈曲线状的引导线拉伸而成，所述引导线包括：第一段、V形的第二段、第三段、弧形的第一连接段、弧形的第二连接段、弧形的第三连接段以及弧形的第四连接段；
所述第一段与所述第二段通过所述第一连接段圆滑连接；
所述第三段与所述第二段通过所述第二连接段圆滑连接；
所述第三连接段设置在所述第一段远离所述第二段的一端，且远离所述第二段弯折；
所述第四连接段设置在所述第三段远离所述第二段的一端，且远离所述第二段弯折。
2.根据权利要求1所述的负泊松比结构的缓冲器，其特征在于：
其中，所述杆型胞元单元包括三个圆杆。
3.根据权利要求1所述的负泊松比结构的缓冲器，其特征在于：
其中，所述杆型胞元单元包括四个圆杆。
4.根据权利要求1所述的负泊松比结构的缓冲器，其特征在于：
其中，所述杆型胞元单元包括六个圆杆。
5.根据权利要求1所述的负泊松比结构的缓冲器，其特征在于：
其中，所述杆型胞元部包括至少两个所述杆型胞元单元，多个所述杆型胞元单元依次连接并且中心轴重合。
6.根据权利要求1所述的负泊松比结构的缓冲器，其特征在于：
其中，所述杆型胞元部包括多个所述杆型胞元单元，多个所述杆型胞元单元具有相同数目的所述圆杆。
7.根据权利要求1所述的负泊松比结构的缓冲器，其特征在于：
其中，所述杆型胞元部包括多个所述杆型胞元单元，多个所述杆型胞元单元具有不同数目的所述圆杆。
8.根据权利要求7所述的负泊松比结构的缓冲器，其特征在于：
其中，多个所述杆型胞元单元中所述圆杆的数量分别为三根、四根以及六根。
9.根据权利要求1所述的负泊松比结构的缓冲器，其特征在于：
其中，所述圆杆通过3D打印形成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910292379.0A CN109944891B (zh) | 2019-04-12 | 2019-04-12 | 一种负泊松比结构的缓冲器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910292379.0A CN109944891B (zh) | 2019-04-12 | 2019-04-12 | 一种负泊松比结构的缓冲器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109944891A CN109944891A (zh) | 2019-06-28 |
| CN109944891B true CN109944891B (zh) | 2020-12-25 |
Family
ID=67014885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910292379.0A Active CN109944891B (zh) | 2019-04-12 | 2019-04-12 | 一种负泊松比结构的缓冲器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109944891B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110671972A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-01-10 | 北京理工大学 | 防爆层结构及其制造方法 |
| CN112158159B (zh) * | 2020-09-22 | 2022-06-14 | 江苏科技大学 | 一种汽车碰撞吸能盒 |
| CN115405644B (zh) * | 2022-08-24 | 2023-07-18 | 广州大学 | 一种基于极小曲面的负泊松比结构及其设计方法 |
| CN115507105B (zh) * | 2022-11-01 | 2024-05-17 | 中南大学 | 一种具有负泊松比特性的螺栓 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4668557A (en) * | 1986-07-18 | 1987-05-26 | The University Of Iowa Research Foundation | Polyhedron cell structure and method of making same |
| CN203730628U (zh) * | 2014-02-21 | 2014-07-23 | 广州汽车集团股份有限公司 | 一种减震器总成及其用于减震器总成的缓冲块结构 |
| CN204542473U (zh) * | 2015-03-24 | 2015-08-12 | 中国兵器科学研究院宁波分院 | 一种人工脊柱椎间盘假体 |
| US20180265023A1 (en) * | 2017-03-20 | 2018-09-20 | Ford Global Technologies, Llc. | Additively manufactured lattice core for energy absorbers adaptable to different impact load cases |
| CN107235024B (zh) * | 2017-04-28 | 2023-03-28 | 南京航空航天大学 | 一种变厚度梯度负泊松比汽车缓冲吸能结构及其优化方法 |
-
2019
- 2019-04-12 CN CN201910292379.0A patent/CN109944891B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109944891A (zh) | 2019-06-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109944891B (zh) | 一种负泊松比结构的缓冲器 | |
| US9076429B2 (en) | Acoustic metamaterials | |
| US11174911B2 (en) | Structures, lattice materials and lattice cylindrical shells with simultaneous stretch- and compression-expanding property | |
| CN105799231B (zh) | 相向半球壳体柱胞结构的夹芯复合材料 | |
| CN111746443A (zh) | 一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构 | |
| CN111237365B (zh) | 同时具有拉胀-压胀性质的结构、点阵材料与点阵圆柱壳 | |
| CN110939853B (zh) | 一种高效柔性二维平面点阵结构 | |
| CN114741811A (zh) | 一种变刚度三维内凹负泊松比胞元及其设计方法 | |
| CN114962518B (zh) | 具有吸能减振特性的点阵胞元结构、平面结构及立体结构 | |
| WO2008064160A1 (en) | Spring holder apparatus | |
| CN110457841B (zh) | 一种表征3d打印金刚石点阵结构力学性能的方法 | |
| CN111173871B (zh) | 舵机加载用刚度可调大挠性扭簧 | |
| Liu et al. | Honeycomb enhanced self-locked structure for energy absorption | |
| CN210830273U (zh) | 三维内凹负泊松比结构和夹层结构 | |
| CN112594314B (zh) | 一种基于阵列板弹簧和约束阻尼结构的减振器 | |
| CN114045953B (zh) | 菱形消能模块及摇摆支架 | |
| CN217036015U (zh) | 一种可收折式电磁波透镜 | |
| CN115614412A (zh) | 一种可重复使用的力-磁耦合抗冲击缓冲结构 | |
| CN107726035A (zh) | 一种手风琴式蜂窝结构 | |
| CN216400555U (zh) | 一种适用于3d打印的三维负泊松比结构 | |
| CN209703743U (zh) | 一种基于Stewart机构的多维减振阻尼器 | |
| CN110848305A (zh) | 一种减振器及弹性减振装置 | |
| US3462817A (en) | Prestressed sheets for supporting members | |
| Yamashita et al. | Buckling and post-buckling behavior of axially compressed elastic latticed cylinders | |
| CN114888302B (zh) | 压致扭转仿石墨烯点阵结构及其3d打印方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |