CN110792710A - 一种复合型负刚度吸能蜂窝结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复合型负刚度吸能蜂窝结构及其制备方法，它涉及一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，本发明要解决现有负刚度结构可重用次数低，强度低，吸能效果差的问题。本发明将复合材料的设计理念用于负刚度结构的设计，利用负刚度结构变形过程中各部分受力特征不同，应力分布不均匀的特点，采用软材料和硬材料结合的两种材料来构建负刚度结构，在保证高次可重复利用的基础上以达到减重并提高结构力学性能的目的。本发明主要通过增材制造技术，如选择性激光烧结技术(SLS)、熔融沉积技术(FDM)、选择性激光熔融技术(SLM)等完成复合型负刚度蜂窝结构的制备。本发明为改善超材料的能量吸收提供了新的方向。本发明应用于超材料领域。

Description

一种复合型负刚度吸能蜂窝结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合型负刚度结构设计及其制备方法，具体涉及复合型负刚度蜂窝结构设计及其制备方法。

背景技术

超材料是不同于自然材料和传统人造材料具有特殊微观结构形式的非常规材料。超材料包括电磁超材料、光学超材料、声学超材料及机械超材料等，其中负刚度超材料就是属于机械超材料一类。

负刚度超材料具有可重用性，其在受力变形后可以自我恢复或通过简单方法使其恢复原状，可重用性材料符合国际材料发展趋势，是环境友好的重要体现。负刚度超材料具有可串联性，通过串联多个负刚度单胞，可以出现较长平台的吸能曲线。负刚度超材料具有零反弹特性，在一定条件下，外载荷所做的外力功完全被结构自身的大变形所吸收，而且当载荷释放时，结构不会向外释放应变能。

常见的负刚度结构可以归为簧/链/铰式，梁/板式，开孔板式等几个类型。簧/链/铰式负刚度结构便于理论上的建模，而且其机理探索比较方便，但其结构过于复杂。梁/板式负刚度结构在结构特征上比较简单，并且易于制备，但其在理论推导上比较困难。开孔板式负刚度结构是利用简单几何图形(三角形，四边形，六边形，星形等)在板中开孔并通过周期性排列来形成具有负刚度效应的多孔结构。

负刚度超材料在缓冲吸能方面的应用可以作为缓冲保护装置，震动控制方面的应用可以作为隔振减振装置，在噪声屏蔽方面的应用可以通过改变结构的形态来调控波的传播路径或禁带特征，此外还可用于制动器和可展开结构等。

公开号为CN 106960096A，公开日2017-07-18的发明专利“三维负刚度蜂窝结构及其制备方法”，公开了采用嵌片嵌锁到一起，形成的“井”字形结构，四个嵌片均开有贯穿其高度一半的嵌锁槽口，每个嵌锁槽口的宽度等于嵌片的厚度，且四个嵌片的厚度相同；四个嵌片其中两个定义为列组，另外两个定义为行组，列组的嵌锁槽口与行组的嵌锁槽口嵌锁到一起，形成三维负刚度蜂窝结构。虽然它具有既可以表现出相当大的正刚度，还可以在负刚度结构压缩后完全恢复的特性，但是还存在结构材料单一，可重用次数低(以塑性变形为主)问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有负刚度结构可重用次数低，强度低，吸能效果差的问题，而提供一种复合型负刚度吸能蜂窝结构及其制备方法。

本发明提出了由软硬两种材料组成的复合型负刚度蜂窝结构，形成材料互补机制，每种材料可以在弹性范围内发挥自己最大吸能优势。相比单一材料而言，该结构在保持高次可重用性的基础上更大程度的提升了结构的力学性能。

本发明的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，它由四个嵌片嵌锁到一起，形成的“井”字形结构；每个嵌片均是由

形硬材料体、“T”形连台和曲梁合围而成；

“王”字形硬材料体横向放置，并沿“王”字形硬材料体的中轴线以及中垂线将其分为四个

形硬材料体；每个

形硬材料体是由两个竖直支撑体和水平支撑体组成；两个竖直支撑体上端内侧壁分别开设有凹槽一；所述的曲梁两端分别与凹槽一底部连接，将凹槽一分成上下两个凹槽；曲梁中部上表面与“T”形连台的底部连接，且“T”形连台左右两侧与曲梁之间均开设有凹槽二；相邻的两个“T”形连台上端相连；

软材料体一的两端分别插入到凹槽一和凹槽二内；软材料体二分别插入到形硬材料体两端的凹槽一内。

本发明包含以下有益效果：

本发明的复合型负刚度结构其单位体积吸能比其单材料负刚度结构单位体积吸能提高2倍以上。本发明的复合型负刚度结构负刚度效应更加明显，且正刚度提高，单位体积的能量吸收也会提高，优化后的结构可以吸收更多的能量。

本发明的复合型负刚度蜂窝结构具有高初始刚度、完全可恢复性和高次可重用性的能量吸收。

本发明根据加载过程中负刚度结构的应力分布特征将曲梁沿厚度方向分为多个区域，采用复合材料设计思想对不同区域选用不同材料，以保证每种材料能在其弹性范围内发挥最大强度优势，以此来组成更高吸能可重复利用的复合型负刚度结构。对于该结构，影响其性能的主要参数为：曲梁长度L，曲梁高度h，曲梁厚度t，以及曲梁厚度方向不同区域的层厚t1、t2、t3。复合型负刚度蜂窝结构的示意图如图1所示，其单胞结构分解示意图如图2所示。

附图说明

图1为本发明复合型负刚度蜂窝结构模型示意图；

图2为本发明复合型负刚度单胞结构模型及其分解示意图；

图3为梁屈曲导致的多稳态现象及能量储存效应图；

图4为梁弯曲过程中截面应力分布示意图；其中(a)代表自然状态下的直梁，(b)代表受弯矩作用后的曲梁，M代表所受弯矩大小；

图5为本发明复合型负刚度单胞结构及蜂窝结构实物图；

图6为万能试验机、硬材料PA(尼龙)和软材料TPU(聚氨酯)标准件；

图7为复合型负刚度蜂窝结构加卸载循环变形图；

图8为复合型负刚度蜂窝结构加卸载循环载荷-位移曲线；其中，A为循环1次的曲线，B为循环10次的曲线；

图9为复合型负刚度单胞结构与单材料负刚度单胞结构尺寸对比；

图10为不同梁厚复合型与单材料负刚度单胞结构阈值对比；其中，a单胞结构阈值效果图，A为TPU+1mmPA阈值效果，B为PA+TPU阈值效果；b阈值提高倍数图；

图11为不同梁厚复合型与单材料负刚度单胞结构单位体积吸能对比；其中，a单位体积吸能效果图，A为TPU+1mmPA吸能效果，B为PA+TPU吸能效果；b单位体积吸能提高倍数图；

图12为对照实验加卸载循环载荷-位移曲线；其中，A为循环1次的曲线，B为循环10次的曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，它由四个嵌片1嵌锁到一起，形成的“井”字形结构；每个嵌片1均是由形硬材料体2、“T”形连台3和曲梁4合围而成；

“王”字形硬材料体7横向放置，并沿“王”字形硬材料体7的中轴线以及中垂线将其分为四个

形硬材料体2；每个

形硬材料体2是由两个竖直支撑体2-1和水平支撑体2-2组成；两个竖直支撑体2-1上端内侧壁分别开设有凹槽一5；所述的曲梁4两端分别与凹槽一5底部连接，将凹槽一5分成上下两个凹槽；曲梁4中部上表面与“T”形连台3的底部连接，且“T”形连台3左右两侧与曲梁4之间均开设有凹槽二6；相邻的两个“T”形连台3上端相连；

软材料体一8的两端分别插入到凹槽一5和凹槽二6内；软材料体二9分别插入到

形硬材料体2两端的凹槽一5内。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：曲梁4为“波浪形”，其上部分为外凸的弧形边，下部分为内凹的弧形边。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：曲梁4的长度为90～95mm，厚度为0.5～1.5mm，高度为9～10mm。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式曲梁4最优的长度为93.88mm，厚度为1mm，高度为9.6mm。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的硬材料为PA、PLA或ABS，硬材料的制备是采用选择性激光烧结工艺完成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：软材料体一8的长度为42～47mm，厚度为0.2～0.7mm，高度为9～10mm；软材料体二9的长度为90～95mm，厚度为0.2～0.7mm，高度为9～10mm。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式软材料体一8的最优长度为45.44mm，厚度最优为0.5mm，高度最优为9.6mm，软材料体二9的最优长度为93.88，厚度最优为0.5mm，高度最优为9.6mm。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：软材料聚氨酯或软胶，软材料的制备是采用增材制造工艺或注塑工艺完成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：软材料体一8和软材料体二9与曲梁4接触面通过胶接方式连接到一起。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的将凹槽一5分成上下两个凹槽，其中上凹槽的宽度为0.2～0.7mm，下凹槽的宽度为0.2～0.7mm，凹槽二6的宽度为0.2～0.7mm。其它与具体实施方式一相同。

本实施方式上凹槽最优的宽度为0.5mm，下凹槽最优的宽度为0.5mm；凹槽二6最优的宽度为0.5mm。

具体实施方式九：本实施方式一种复合型负刚度吸能蜂窝结构的制备方法，它包括以下步骤：

一、将曲梁4、“王”字形硬材料体7、“T”形连台3用硬材料通过增材制造工艺整体制造成型；

二、软材料体一8和软材料体二9用软材料通过增材制造工艺或注塑工艺进行制造成型；

三、在“王”字形硬材料体7上开设凹槽一5；将曲梁4固接至凹槽一5处，将凹槽一5分为上凹槽和下凹槽；并将“T”形连台3与曲梁4上部的外凸弧边连接，同时在“T”形连台3曲梁4连接处的左右两侧开设凹槽二6；

四、分别将两条软材料体一8的两端嵌入至凹槽一5的上凹槽与凹槽二6处；然后将软材料体二9两端分别嵌入至凹槽一5的下凹槽处；然后将软材料体一8和软材料体二9与曲梁4胶接在一起，即完成所述的复合型负刚度吸能蜂窝结构制备。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：“王”字形硬材料体7在开设凹槽后，横向放置，并与曲梁4连接。其它与具体实施方式九相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1

本实施例选取了两种代表性软硬材料来对复合型负刚度蜂窝结构进行制备，并根据现有条件选取了相应的制备方法。曲梁4、“T”形连台3、王”字形硬材料体7采用硬材料一体化制备，上下曲梁采用软材料进行制备。硬材料选用韧性好强度高的PA(尼龙)，其相应的制备工艺为SLS(选择性激光烧结)工艺；软材料选用弹性好减震性能突出的TPU(聚氨酯)，其相应的制备工艺为FDM(熔融沉积成型)工艺。在T形连台处开有凹槽口，并使软材料嵌入其中，通过502速固胶水进行软硬材料界面粘接。具体实施中试样尺寸为：有效曲梁长度L＝43.94mm，有效曲梁高度h＝9.6，有效曲梁厚度t＝2mm，曲梁厚度方向不同区域的层厚t1＝0.5mm、t2＝1.0mm、t3＝0.5mm。如图5所示为复合型负刚度单胞结构及蜂窝结构实物图。

拉伸模量测定：采用美国INSTRON 5569电子万能试验机测试聚合物PA(尼龙)和TPU(聚氨酯)材料哑铃形试件的拉伸模量。测试遵从ASTM D638标准，对象为对称均匀聚合物材料试件，拉伸速率为5mm/min。如图6所示，拉伸试样尺寸为115×23.35×2mm，试件通过位移引伸计测量拉伸过程中的应变，平行测试3个试样取平均值，并按照公式计算试件的拉伸强度。

式中σ_t——试样的拉伸强度(MPa)；

P_t——试样拉伸破坏时的最大载荷(N)；

b——试样的宽度(mm)；

h——试件的厚度(mm)。

对破坏模式不符合标准要求的试验数据进行舍弃，对有效数据进行数据处理，由此得到硬材料PA(尼龙)和软材料TPU的平均拉伸模量分别为1600MPa和60MPa，并测定其密度分别为1.24g/cm³和1.15g/cm³。

如图7所示，给出了复合型负刚度蜂窝结构在加卸载循环变形图。在加载阶段(由A至C阶段)，第一层变形之前，整个结构都有些小变形，第一层发生大变形跳变时第二层只发生了小变形，随后第一层将近密实时，第二层发生大变形跳变，最后两层都趋向于密实状态。在卸载阶段(由D至F阶段)，由两层都是密实状态到第一层保持密实状态，第二层恢复原始形状，最后两层都恢复原始形状，这里的大变形跳变就是负刚度阶段。

图8为复合型负刚度蜂窝结构加卸载循环载荷-位移曲线图。从图中可以看出，前十次循环下曲线重合度较好，力学性能损失很小，说明复合型负刚度蜂窝结构主要以弹性变形为主，具有高次可重用性的潜力。进一步分析，前两次循环下曲线重合度较好，说明复合型负刚度蜂窝结构具有一定的可重用性。随着位移的增大，载荷出现先增大后减小，在增大在减小，最后又增大的结果，再此过程中，其可分为五个阶段：第一阶段，随着位移的增加，载荷不断增大，此过程结构整体表现出正刚度效应；第二阶段，随着位移的不断增加，载荷出现下降，此过程蜂窝结构某一层表现出负刚度效应，但另一层仍然保持着正刚度；第三阶段，随着位移的再此增加，载荷再次出现上升，此过程是因为两层结构又开始保持为正刚度效应，导致载荷再次变大；第四阶段，随着位移的增加，载荷再一次出现下降，此过程蜂窝结构的另一层出现负刚度效应；第五阶段，随着位移的增加，载荷又开始出现上升的趋势，此过程蜂窝结构两层梁都与底座有了接触，导致载荷再次变大。

为了进一步验证本发明复合型负刚度蜂窝结构的高次可重用性能，进行对比实验：对比实验为CN 106960096A专利的结构，对其进行加卸载循环载荷-位移测试，结果如图12所示，该结构循环加卸载试验结果：结构在循环加卸载中有一条完整的循环曲线，说明该结构具有一定的可恢复性。但在第二次循环加载过程中结构完全断裂失效，说明结构以塑性变形为主，不具有高次可重用性的潜力。因此，在高次可重用性与本发明存在较大差距。

复合型负刚度结构与单材料负刚度结构力学性能对比：如图9所示，将复合型负刚度单胞结构与单材料负刚度单胞结构进行对比分析，为了突出复合型负刚度结构的优势，将梁厚2mm复合型负刚度单胞结构与梁厚2mm软材料负刚度单胞结构加上梁厚1mm硬材料负刚度单胞结构的力学性能进行对比。

1)阈值对比。如图10所示，将梁厚2mm复合型负刚度单胞结构与梁厚2mm软材料负刚度单胞结构加上梁厚1mm硬材料负刚度单胞结构的阈值对比可以发现：梁厚2mm(1mmPA+0.5mmTPU+0.5mmTPU)复合型负刚度单胞结构，其阈值大于梁厚2mm软材料(T PU)负刚度单胞结构与梁厚1mm硬材料(PA)负刚度单胞结构之和，其阈值提高1.82倍；梁厚3mm(1mmPA+1mmTPU+1mmTPU)复合型负刚度单胞结构，其阈值大于梁厚3mm软材料(TPU)负刚度单胞结构与梁厚1mm硬材料(PA)负刚度单胞结构之和，其阈值提高1.58倍；梁厚4mm(1mmPA+1.5mmTPU+1.5mmTPU)复合型负刚度单胞结构，其阈值大于梁厚4mm软材料(TPU)负刚度单胞结构与梁厚1mm硬材料(PA)负刚度单胞结构之和，其阈值提高1.80倍；因此在阈值对比上，复合型负刚度结构达到“1+1>2+1”的效果。

2)单位体积吸能对比。如图11所示，将梁厚2mm复合型负刚度单胞结构与梁厚2m m软材料负刚度单胞结构加上梁厚1mm硬材料负刚度单胞结构的单位体积吸能对比可以发现：梁厚2mm(1mmPA+0.5mmTPU+0.5mmTPU)复合型负刚度单胞结构，其单位体积吸能大于梁厚2mm软材料(TPU)负刚度单胞结构与梁厚1mm硬材料(PA)负刚度单胞结构之和，其单位体积吸能提高1.43倍；梁厚3mm(1mmPA+1mmTPU+1mmTPU)复合型负刚度单胞结构，其单位体积吸能大于梁厚3mm软材料(TPU)负刚度单胞结构与梁厚1mm硬材料(PA)负刚度单胞结构之和，其单位体积吸能提高1.36倍；梁厚4mm(1mmP A+1.5mmTPU+1.5mmTPU)复合型负刚度单胞结构，其单位体积吸能大于梁厚4mm软材料(TPU)负刚度单胞结构与梁厚1mm硬材料(PA)负刚度单胞结构之和，其单位体积吸能提高1.31倍；因此在单位体积吸能对比上，复合型负刚度结构达到“1+1>2+1”的效果。

优化后的复合型负刚度蜂窝结构负刚度更加明显，且正刚度提高，单位体积的能量吸收也会提高，优化后的结构可以吸收更多的能量。

Claims (10)

1.一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，其特征在于它由四个嵌片(1)嵌锁到一起，形成的“井”字形结构；每个嵌片(1)均是由

形硬材料体(2)、“T”形连台(3)和曲梁(4)合围而成；

“王”字形硬材料体(7)横向放置，并沿“王”字形硬材料体(7)的中轴线以及中垂线将其分为四个形硬材料体(2)；每个

形硬材料体(2)是由两个竖直支撑体(2-1)和水平支撑体(2-2)组成；两个竖直支撑体(2-1)上端内侧壁分别开设有凹槽一(5)；所述的曲梁(4)两端分别与凹槽一(5)底部连接，将凹槽一(5)分成上下两个凹槽；曲梁(4)中部上表面与“T”形连台(3)的底部连接，且“T”形连台(3)左右两侧与曲梁(4)之间均开设有凹槽二(6)；相邻的两个“T”形连台(3)上端相连；

软材料体一(8)的两端分别插入到凹槽一(5)和凹槽二(6)内；软材料体二(9)分别插入到

形硬材料体(2)两端的凹槽一(5)内。

2.根据权利要求1所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，其特征在于曲梁(4)为“波浪形”，其上部分为外凸的弧形边，下部分为内凹的弧形边。

3.根据权利要求1或2所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，其特征在于曲梁(4)的长度为90～95mm，厚度为0.5～1.5mm，高度为9～10mm。

4.根据权利要求1所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，其特征在于所述的硬材料为PA、PLA或ABS，硬材料的制备是采用选择性激光烧结工艺完成。

5.根据权利要求1所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，其特征在于软材料体一(8)的长度为42～47mm，厚度为0.2～0.7mm，高度为9～10mm；软材料体二(9)的长度为90～95mm，厚度为0.2～0.7mm，高度为9～10mm。

6.根据权利要求1或5所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，其特征在于软材料聚氨酯或软胶，软材料的制备是采用增材制造工艺或注塑工艺完成。

7.根据权利要求1所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，其特征在于软材料体一(8)和软材料体二(9)与曲梁(4)接触面通过胶接方式连接到一起。

8.根据权利要求1所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，其特征在于所述的将凹槽一(5)分成上下两个凹槽，其中上凹槽的宽度为0.2～0.7mm，下凹槽的宽度为0.2～0.7mm，凹槽二(6)的宽度为0.2～0.7mm。

9.如权利要求1所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

一、将曲梁(4)、“王”字形硬材料体(7)、“T”形连台(3)用硬材料通过增材制造工艺整体制造成型；

二、软材料体一(8)和软材料体二(9)用软材料通过增材制造工艺或注塑工艺进行制造成型；

三、在“王”字形硬材料体(7)上开设凹槽一(5)；将曲梁(4)固接至凹槽一(5)处，将凹槽一(5)分为上凹槽和下凹槽；并将“T”形连台(3)与曲梁(4)上部的外凸弧边连接，同时在“T”形连台(3)曲梁(4)连接处的左右两侧开设凹槽二(6)；

四、分别将两条软材料体一(8)的两端嵌入至凹槽一(5)的上凹槽与凹槽二(6)处；然后将软材料体二(9)两端分别嵌入至凹槽一(5)的下凹槽处；然后将软材料体一(8)和软材料体二(9)与曲梁(4)胶接在一起，即完成所述的复合型负刚度吸能蜂窝结构制备。

10.根据权利要求1所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构的制备方法，其特征在于“王”字形硬材料体(7)在开设凹槽后，横向放置，并与曲梁(4)连接。

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