CN111350937A - 气动可调三角形平面多孔结构 - Google Patents
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Abstract
一种气动可调三角形平面多孔结构，包括凸形连接节点、凹形连接节点、实体杆与气动执行器，其中：气动执行器与凸形连接节点相连构成六边形二维阵列，以此为基础添加实体杆，实体杆分别与凸形连接节点和/或凹形连接节点相连构成三角形多孔结构。本发明通过控制施加的气压大小和施加方式来改变平面三角形多孔结构的局部构造，从而改变结构整体的机械性能，具有机械性能可调且快速响应的特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种工程结构性材料设计领域的技术，具体是一种气动可调三角形平面多孔结构。
背景技术
可编程材料是一类无需再次加工即可通过某种输入改变物理性质(密度、形状、颜色等)以及静力学(杨氏模量、剪切模量、泊松比等)、动力学(止波带、频响)特性的材料。现有的可编程材料通常关注于重建材料的基本结构，多孔材料具有相对密度低，强度质量比高的特点，其中等边三角形平面结构也因其稳定的结构特性而备受青睐。传统的多孔材料局限于其结构特征只具有单一的机械性能，同时在施加外部压力的情况下容易产生不可控的屈曲效应，这限制了多孔材料的更多应用与发展。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种气动可调三角形平面多孔结构，通过控制施加的气压大小和施加方式来改变平面三角形多孔结构的局部构造，从而改变材料整体的机械性能，具有机械性能可调且快速响应的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：凸形连接节点、凹形连接节点、实体杆与气动执行器，其中：气动执行器与凸形连接节点相连构成六边形二维阵列，以此为基础添加实体杆，实体杆分别与凸形连接节点和/或凹形连接节点相连构成三角形多孔结构。
所述的凸形连接节点为正六棱柱结构，包括：一个进气口、三个气孔和三个实心接口，其中：进气口位于正六棱柱顶面，实心接口分布于六个侧面，气孔与实心接口间隔排列，气孔与进气口均于内部相通，气动执行器通过凸形连接节点气孔相连构成三角形平面多孔结构。
所述的凹形连接节点为正六棱柱结构，包括：中部通孔、六个实心接口，其中：实心接口分布于其六个侧面并与实体杆相连。
所述的气动执行器为中空旋转对称结构，其表面缠绕有塑料纤维，执行器内部设有两个独立的气道，向某一侧气道中通入气压时会向其对侧弯曲变形。
所述的实体杆为细长梁结构，其横截面为矩形且外部尺寸与气动执行器相同，优选采用硅橡胶(Ecoflex-0030)制成。
所述的气动执行器的气道的进气口上设有气动控制器，通过气动控制器充入不同压力的气体实现多孔材料的机械性能的开环控制。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过将气动执行器整合进三角形平面多孔结构中，采用控制通入气体压强的方式对整个三角形平面多孔结构进行控制。本发明具有多种变形模态，在知晓气压大小的情况下可以较为精确地预测结构的宏观、微观形状以及机械性能，可方便地根据所需的材料性能调整输入气压，同时在受压下的形变完全可控，克服了传统多孔材料力学性能单一和屈曲不规则的弱点。从而使整个结构的可控性得到大幅提升。变形后的结构还具有与传统材料完全不同的频响特性，拥有更宽的止波带，在平面机械波滤波方面有着极佳的应用前景。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明气动执行器及实体杆注塑制作和内部构造示意图；
图3为气动执行器及实体杆截面示意图；
图4为本发明凸形连接节点、凹形连接节点，以及结构组装过程示意图；
图5为本发明通入单侧气压后形变示意图；
图中：a为气动执行器(灰色杆)及实体杆(白色杆)形变模式分析，b为结构中单个三角形单元形变示意图，c为连接于同一凸形连接节点的三个气动执行器通入单侧气压后形变示意图，d为结构整体形变示意图；
图6为本发明结构刚度(x和y方向)随通入气压大小的变化曲线；
图7为本发明不同弯曲角度(与通入气压大小正相关)下，止波带及频响分析示意图
图中：a为结构形变示意图及弯曲角度定义，b为弯曲角度θ＝10°时本发明的止波带及频响分析示意图，c为弯曲角度θ＝20°时本发明的止波带及频响分析示意图，d为弯曲角度θ＝30°时本发明的止波带及频响分析示意图，e为弯曲角度θ＝40°时本发明的止波带及频响分析示意图，f为弯曲角度θ＝50°时本发明的止波带及频响分析示意图；
图中：1气动控制器、2气体输出口、3气体输出口、4结构主体、5气动执行器、6实体杆、7气动执行器横截面、8实体杆横截面、9塑料纤维、10凸形连接节点、11凹形连接节点。
具体实施方式
如图1～图4所示，为本实施例涉及的一种气动可调三角形平面多孔结构，包含：带有气体输出口2和气体输出口3的气动控制器1、结构主体4、该结构主体4包括凸形连接节点10、凹形连接节点11、实体杆6与气动执行器5，气动执行器5通过凸形连接节点气孔10相连构成六边形二维阵列，以此为基础，若干实体杆6分别与凸形连接节点10和凹形连接节点11实心接口固接形成三角形平面多孔结构。
所述的凸形连接节点10、凹形连接节点11为3D打印PLA材料制成。
如图3所示，所述的气动执行器5表面缠绕有塑料纤维7以限制执行器在通入气压后的径向膨胀。
所述的气动执行器5与实体杆6均为硅橡胶注塑制成。
如图5所示，在材料主体4通入单侧气压后，气动执行器会向通入气压对侧弯曲，在结构内部产生应力与转矩，实体杆受转矩影响同样发生形变，从而使得材料的微观图案发生改变，最终使其宏观的力学特性产生变化。当在材料主体4的另一侧施加气压会使气动执行器向另一侧弯曲，其表现与前一种情况完全对称。该功能同样可用于在外部压力作用下对材料的屈曲模式进行诱导。
如图6所示，一开始材料的刚度随气压的变化并不明显，随着通入的气体压强增大，结构的微观形变也就越大，弯曲的局部结构破坏了三角形的稳定状态，材料整体的刚度随之迅速下降。
如图7所示，变形后的结构与原结构的频响特性有着极大的不同，在大变形下拥有更宽的止波带(灰色带状区域)，在较大的频率范围内拥有良好的平面机械波滤波特性，且该性质可通过气压控制精准调节，这是传统材料完全无法实现的。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (6)
1.一种气动可调三角形平面多孔结构，其特征在于，包括：凸形连接节点、凹形连接节点、实体杆与气动执行器，其中：气动执行器与凸形连接节点相连构成六边形二维阵列，以此为基础添加实体杆，实体杆分别与凸形连接节点和/或凹形连接节点相连构成三角形多孔结构；气动执行器为中空旋转对称结构，执行器内部设有两个独立的气道，向某一侧气道中通入气压时会向其对侧弯曲变形从而实现整体多孔结构刚性可控。
2.根据权利要求1所述的气动可调三角形平面多孔结构，其特征是，所述的凸形连接节点为正六棱柱结构，包括：一个进气口、三个气孔和三个实心接口，其中：进气口位于正六棱柱顶面，实心接口分布于六个侧面，气孔与实心接口间隔排列，气孔与进气口均于内部相通，气动执行器通过凸形连接节点气孔相连构成三角形平面多孔结构。
3.根据权利要求1所述的气动可调三角形平面多孔结构，其特征是，所述的凹形连接节点为正六棱柱结构，包括：中部通孔、六个实心接口，其中：实心接口分布于其六个侧面并与实体杆相连。
4.根据权利要求1所述的气动可调三角形平面多孔结构，其特征是，所述的实体杆为细长梁结构，其横截面为矩形且外部尺寸与气动执行器相同。
5.根据权利要求1所述的气动可调三角形平面多孔结构，其特征是，所述的气动执行器的气道的进气口上设有气动控制器，通过气动控制器充入不同压力的气体实现多孔材料的机械性能的开环控制。
6.根据上述任一权利要求所述的气动可调三角形平面多孔结构，其特征是，所述的气动执行器表面缠绕有塑料纤维，以限制执行器在通入气压后的径向膨胀。
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