CN111255834A - 一种多边内凹的拉胀结构 - Google Patents

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龚程
陈晓红
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Abstract

本发明公开了一种多边内凹的拉胀结构，包括在空间内周期性规律排列形成多孔蜂窝结构的多个单胞；所述单胞为各个边均内凹的多边形截面拉伸形成的薄壳结构；本发明通过结构多边内凹设计，使得拉胀结构预存一定量的变形，有着更好的变形能力，并且亦可通过改变储存的预变形量和结构尺寸参数，间接调控结构整体的拉胀性能及其力学性能，解决了拉胀结构力学性能与拉胀性能之间的矛盾。

Description

一种多边内凹的拉胀结构
技术领域
本发明涉及材料结构技术领域，具体涉及一种具有负泊松比特性的拉胀结构，该拉胀结构具有优良的力学性能和良好的弹性回复能力。
背景技术
当前，随着我国航天、汽车领域的快速发展，开发具有高承载效率的功能结构件的需求愈发迫切。近些年来，拉胀结构以其压缩横向收缩或拉伸横向膨胀的负泊松比特性，受到了广泛关注。结合多孔结构形成的多孔拉胀结构更是具有优异的力学性能，使得多孔拉胀结构在功能结构件设计上具有了很好的应用潜力。此外，拉胀结构在结合弹性材料情况下形成的新产品还具有良好的形状记忆效应，在织物应用上取得了良好的应用效果。
但是，当前这些拉胀结构尤其是多边形蜂窝拉胀结构大都是基于单边变形的，其拉胀性能、弹性回复能力有较大局限性，对于材料的依赖性较高，而直接采用弹性材料又会降低结构本身的承载能力。因而，在保持承载能力的前提下，设计具有优良拉胀性能的结构对于功能结构件的发展有着积极的促进作用，为其提供了新的设计思路。
发明内容
有鉴于此，本发明针对目前拉胀结构的性能较单一，结构特性不能充分体现的问题，在分析了现有拉胀结构的变形模型后，提出了一种在现有拉胀结构基础上进一步改进其拉胀性能的结构，其通过结构多边内凹设计，使得拉胀结构预存一定量的变形，有着更好的变形能力，并且亦可通过改变储存的预变形量和结构尺寸参数，间接调控结构整体的拉胀性能及其力学性能，解决了拉胀结构力学性能与拉胀性能之间的矛盾。
本发明公开了一种多边内凹的拉胀结构，包括在空间内周期性规律排列形成多孔蜂窝结构的多个单胞；所述单胞为各个边均内凹的多边形截面拉伸形成的薄壳结构；
进一步，所述单胞为各个边均内凹的三角形截面拉伸形成的薄壳结构。
进一步，所述三角形截面为等边三角形截面。
进一步，所述等边三角形截面的边长为10mm，其各边的内凹角为16.1°。
进一步，所述单胞为各个边均内凹的四边形截面拉伸形成的薄壳结构。
进一步，所述四边形截面为正方形截面。
进一步，所述正方形截面的边长为10mm，其各边的内凹角为30°。
进一步，相邻两单胞通过连接于二者相对内凹角之间的连接板进行固定连接。
本发明的有益效果：
1.采用蜂窝式结构，结构简单，制备方便，且能较好地保证结构的承载能力。
2.较单边内凹形式的拉胀结构，多边内凹拉胀结构具有更加优异的拉胀性能，回弹性更好。
3.该种拉胀结构设计对于常见拉胀结构具有较好的适应性，使得新的拉胀结构具有优良的综合性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为现有技术中三角形单边内凹结构单胞形成的拉胀结构的平面示意图；
图2为本发明的三角形多边内凹结构单胞形成的拉胀结构的平面示意图；
图3为现有技术中三角形单边内凹结构单胞形成的拉胀结构的立体示意图；
图4为本发明的三角形多边内凹结构单胞形成的拉胀结构的立体示意图；
图5为本发明的三角形拉胀结构Y方向压缩响应曲线图；
图6为本发明的三角形拉胀结构Z方向压缩响应曲线；
图7为现有技术中三角形单边拉胀结构应力云图；
图8为本发明的三角形多边拉胀结构应力云图；
图9为现有技术中四边形单边拉胀结构应力云图；
图10为本发明的四边形多边拉胀结构应力云图。
具体实施方式
实施例一
图1为现有技术中三角形单边内凹结构单胞形成的拉胀结构的平面示意图，该结构形式采用多孔蜂窝结构，结构简单，承载能力优良。本发明通过使该结构中等边三角形单胞的三个边均形成内凹，实现了新的拉胀结构设计，见图2，即本实施例中的拉胀结构包括在空间内周期性规律排列形成多孔蜂窝结构的多个单胞；所述单胞为各个边均内凹的等边三角形截面拉伸形成的薄壳结构，等边三角形的各边边长为10mm，内凹角度θ＝16.1°，三边形角度选取以内凹顶点为重心与交点(垂线交于各边)连线的中点。如此，内凹边之间不会有较多重合，并且还具有较大变形预存。从而保证内凹边的不重合以及较大变形量存储。
优选地，在二维平面排列数量为6×5，为构造三维结构形式，将二维结构加厚形成薄壁(壁厚0.3mm)，进一步地，将选取的二维薄壁结构拉伸，拉伸厚度15mm，形成了整体尺寸为44.8mm×50mm×15mm的三维实体结构，见图3和图4。
采用有限元仿真进行分析验证，材料属性设置为常用的铝合金Al-Si-10Mg，获取Y，Z方向的准静态压缩响应，其Y方向上压缩应力应变曲线见图5，Z方向上压缩应力应变曲线见图6。发现两种结构的力学性能基本上没有较大变化，尽管Y方向曲线在初期阶段有一定差异性，但在大变形条件下，多边内凹结构吸能能力略微优于传统单边内凹结构，总体而言，多边内凹的拉胀结构与单边内凹结构力学性能相仿，都具有较好的力学性能。
在拉胀性能表现最明显的X方向进行压缩仿真测试，获得了结构的变形应力云图，见图7和图8。分析其变形模式，可以发现多边内凹结构压缩时收缩表现地更加明显，且其变形量也更大，说明其拉胀性能更加好。
实施例二
为验证多边内凹结构拉胀性能优异的适用性，建立常见的四边形拉胀结构的有限元模型。同时，使现有结构中四边形单胞的四个边均形成内凹，实现了新的拉胀结构设计，即本实施例中的拉胀结构包括在空间内周期性规律排列形成多孔蜂窝结构的多个单胞；所述单胞为各个边均内凹的正方形截面拉伸形成的薄壳结构，其边长为10mm，内凹角θ＝30°。结构拉伸高度(Z向)为15mm。通过变形应力云图，见图9和图10，分析四边形拉胀结构的多边内凹设计，亦可发现多边内凹拉胀结构拉胀性能更好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多边内凹的拉胀结构，其特征在于，包括在空间内周期性规律排列形成多孔蜂窝结构的多个单胞；所述单胞为各个边均内凹的多边形截面拉伸形成的薄壳结构。
2.根据权利要求1所述的多边内凹的拉胀结构，其特征在于：所述单胞为各个边均内凹的三角形截面拉伸形成的薄壳结构。
3.根据权利要求2所述的多边内凹的拉胀结构，其特征在于：所述三角形截面为等边三角形截面。
4.根据权利要求3所述的多边内凹的拉胀结构，其特征在于：所述等边三角形截面的边长为10mm，其各边的内凹角为16.1°。
5.根据权利要求1所述的多边内凹的拉胀结构，其特征在于：所述单胞为各个边均内凹的四边形截面拉伸形成的薄壳结构。
6.根据权利要求5所述的多边内凹的拉胀结构，其特征在于：所述四边形截面为正方形截面。
7.根据权利要求6所述的多边内凹的拉胀结构，其特征在于：所述正方形截面的边长为10mm，其各边的内凹角为30°。
8.根据权利要求7所述的多边内凹的拉胀结构，其特征在于：相邻两单胞通过连接于二者相对内凹角之间的连接板进行固定连接。
9.根据权利要求1-8任一项所述的多边内凹的拉胀结构，其特征在于：所述拉胀结构采用Al-Si-10Mg制造。
10.根据权利要求1-8任一项所述的多边内凹的拉胀结构，其特征在于：所述单胞的壁厚为0.3mm。
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