CN111746443A - 一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构,包含若干依次层叠的吸能层；吸能层包含若干六边形手性结构单胞；六边形手性结构单胞包含中心圆环以及第一至第六连接杆；吸能层中六边形手性结构单胞的旋向相同，且相邻六边形手性结构单胞的第一至第六连接杆对应相连、形成阵列；相邻吸能层的六边形手性结构单胞的一一对应且旋向相反，相邻吸能层对应六边形手性结构单胞之间均设有层间螺旋支撑结构。本发明通过微小结构的层叠，在很大程度上提高结构在达到屈服极限前的弹性位移，利用较大的位移吸收初始冲击力，利用较大的反力吸收残余冲击，对于集中、多次、小量级冲击能量的吸收具有较大的优势。

Description

一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构

技术领域

本发明涉及负泊松比多胞吸能结构领域，尤其涉及一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构。

背景技术

目前应用在实际工程中的吸能结构种类繁多，从吸能原理的角度进行分类主要有塑性形变吸能以及弹性形变吸能两种形式，尽管能够在行业中发挥很好的保护作用，但均存在一定的缺陷。

塑性形变吸能装置如汽车保险杠中的吸能盒，重要设施保护墙中的防撞隔板，飞机底部的跌落冲击吸能装置等，基本为管状或蜂窝状二维结构。该类结构主要利用金属薄壁在受到冲击过程中的塑性压溃效应或破碎效应完成对于冲击能量的吸收，能够起到较好的能量吸收效果，但也存在一定的不足，如结构在遭到冲击破坏后无法重复使用、压溃前初始冲击峰值较高而容易产生过大的初始冲击载荷、吸能稳定性不足、易产生二次冲击等等。

弹性形变吸能装置以缓冲、减震作用为主，如电梯顶部的减震弹簧，大型机械设施底部的抗震层，工程施工中的液压吸能装置等。该类结构利用弹性元件或弹性物质的弹性形变，能够在一定程度上吸收一定时间内的多次不均匀冲击，并反向释放，从而达到缓冲的效果。但由于弹性结构的弹性形变范围有限，不适合大载荷冲击的能量吸收，易发生破坏而失效。且结构的吸能模式单一，无法对非均匀冲击能量进行有效的吸收。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构，包含若干依次层叠的吸能层；

所述吸能层包含若干六边形手性结构单胞；

所述六边形手性结构单胞包含中心圆环以及第一至第六连接杆；所述中心圆环内径为r₀、外径为R；所述第一至第六连接杆均一端和所述中心圆环的外壁相连、另一端朝外，形成逆时针或顺时针旋向，且第一至第六连接杆两条长边之间的中线均和所述中心圆环的外壁相切、形成六个相切点，所述六个相切点将中心圆环的外圈等分位六等分；所述第一至第六连接杆的宽度均为b₁；所述中心圆环、第一至第六连接杆的厚度均为h；

所述吸能层中六边形手性结构单胞的旋向相同，且相邻六边形手性结构单胞的第一至第六连接杆对应相连、形成阵列；

相邻吸能层的六边形手性结构单胞的一一对应且旋向相反，且相邻吸能层对应六边形手性结构单胞之间均设有层间螺旋支撑结构；

所述层间螺旋支撑结构包含第一至第六支撑杆；所述第一至第六支撑杆均为转角θ为60°倍数的螺旋线、旋向和下层六边形手性结构单胞的旋向相同、高度为H、螺旋半径为R，表达式如下：

所述第一至第六支撑杆的上端分别和上层六边形手性结构单胞的六个相切点一一对应相连，下端和下层六边形手性结构单胞的六个相切点一一对应相连。

作为本发明一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构进一步的优化方案，所述第一至第六支撑杆的的横截面形状为圆截面、矩形截面、变截面中的任意一种。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.与传统结构不同，该结构为三维负泊松比结构，即当结构受到正向载荷冲击时，结构体积将会缩小，结构将会变得更加紧实而不易出现局部破坏。且随着弹性位移的增加，整体结构的等效杨氏模量将会增加，结构整体的抗压能力变强；

2.在初始较大冲击下，通过结构的较大变形作为缓冲，能够有效减小初始冲击峰值，并吸收较多的能量。而结构变形后期由于负泊松比特性，结构可以在较小的形变下进一步吸收剩余能量，从而提高了能量吸收效率；

3.在冲击的分散方面，该结构能够将正向的冲击有效分解为横向连接杆的拉伸与弯曲，纵向支撑杆的弯曲与扭转，以及整体结构的压缩，从而能够将一点的集中作用分解到整体结构上(与单元密度相关)，减小对于结构某一点的冲击破坏；

4.由于结构采用弹性吸能的方式，可以在冲击吸收完毕后反向释放，重新回到初始状态，因此可以做到长时间密集型冲击吸收，且对于多种冲击形式(点冲击或大面积冲击)均能保证结构吸能的稳定性；

5.结构采用多孔隙设计，能够有效减小防护装置的质量，使吸能结构轻量化，高效化。

附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)分别为本发明中六边形手性结构单胞示意图、吸能结构单元示意图、7x3空间组合吸能结构示意图；

图2(a)、图2(b)分别为本发明中六边形手性结构单胞几何设计图、层间螺旋支撑结构几何设计图；

图3(a)、图3(b)分别为本发明中7x3空间组合吸能结构变形前正视图、7x3空间组合吸能结构变形后正视图；

图4(a)、图4(b)分别为本发明中7x3空间组合吸能结构变形前俯视图、7x3空间组合吸能结构变形后俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

本发明公开了一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构，包含若干依次层叠的吸能层；

所述吸能层包含若干六边形手性结构单胞；

如图1(a)所示，所述六边形手性结构单胞包含中心圆环以及第一至第六连接杆；所述中心圆环内径为r₀、外径为R；所述第一至第六连接杆均一端和所述中心圆环的外壁相连、另一端朝外，形成逆时针或顺时针旋向，且第一至第六连接杆两条长边之间的中线均和所述中心圆环的外壁相切、形成六个相切点，所述六个相切点将中心圆环的外圈等分位六等分；所述第一至第六连接杆的宽度均为b₁；所述中心圆环、第一至第六连接杆的厚度均为h；

所述吸能层中六边形手性结构单胞的旋向相同，且相邻六边形手性结构单胞的第一至第六连接杆对应相连、形成阵列；

相邻吸能层的六边形手性结构单胞的一一对应且旋向相反，且相邻吸能层对应六边形手性结构单胞之间均设有层间螺旋支撑结构，如图1(c)所示；

所述层间螺旋支撑结构包含第一至第六支撑杆；所述第一至第六支撑杆均为转角θ为60°倍数的螺旋线、旋向和下层六边形手性结构单胞的旋向相同、高度为H、螺旋半径为R，表达式如下：

所述第一至第六支撑杆的上端分别和上层六边形手性结构单胞的六个相切点一一对应相连，下端和下层六边形手性结构单胞的六个相切点一一对应相连，如图1(b)所示。

所述第一至第六支撑杆的的横截面形状为圆截面、矩形截面、变截面中的任意一种。

六边形手性结构单胞的结构如附图2(a)所示。结构中心构造线以虚线表示，中心虚线圆半径为R，第一至第六连接杆中线均与中心的虚线圆相切，相邻2个连接杆的方向角均相差60°。根据实际受力情况考虑，中心部分主要承受环状剪流作用，且主要集中在边缘(相切点)附近，因此可对中心进行挖孔处理，以减小结构重量。中心圆孔半径直接对中心圆环宽度产生影响，设中心圆环宽度为b₂，6向连接杆的宽度为b₁，则中心圆孔的半径可表示为：

而在保证连接杆相切部分宽度连续的条件下，可知b₂＝b₁，由此中心圆孔半径满足：

设第一至第六连接杆长度均为L，则对于平面单元其几何参数为中心圆半径R、第一至第六连接杆的长度L、以及第一至第六连接杆的宽度b₁，其中L的大小决定了各单元间的距离，而连接杆宽度b₁以及中心圆半径则决定了每个单元的大小。在保证结构单元边缘完整的前提下，单元具有最小尺寸。如附图2(a)所示，连接圆心及连接杆的切点，同时从切点向相邻的圆心切点连线做垂线，由于两连心线夹角为60°，可以得到如下关系：

可以解得R与b₁的关系：

此外，该平面单元在空间中的层厚定义为h。由此，为保证结构单元的紧密性，取最小的结构单元尺寸，此时六边形手性结构单元几何参数仅为3个，R,L,h，分别决定了单元大小，单元间隔以及单元厚度。

纵向螺旋支撑部分，本优选实例以旋向逆时针为例，如附图2(b)所示。第一至第六支撑杆均为螺旋线，图中底部圆半径R对应图2(a)中的中心圆半径。θ角为螺旋线的转角，为保证上下六边形单元的连接，限制螺旋线的起点和终点为六边形单元的六个连接杆切点，即θ角度应为60°的倍数。

本优选实例螺旋截面以圆截面为例，r为螺旋线圆截面半径，为保证结构在承受冲击时能够由6个支柱有效分担载荷，半径r与六边形单元宽度b₁保持相同。H为螺旋线高度，决定了上下两层六边形手性单元的间距。由螺旋高度H以及旋转角θ可以推出螺旋线螺距以及升角的表达式：

由此可以得到螺旋线的数学表达式，对于顺时针旋向螺旋线几何特征类似，不再赘述：

综上，纵向螺旋支撑结构的几何参数为螺高H以及旋转角θ，二者一方面决定了层与层之间的间隔，另一方面决定了层与层之间螺旋线的长度以及升角，从而进一步对螺旋结构的吸能以及力学特性产生影响。

力学特性以及变形特征：

下面以7x3空间组合结构为实例说明结构的力学特性以及变形特征。附图3(a)为吸能结构变形前正视图，图3(b)为吸能结构受压变形后正视图；图4(a)为吸能结构变形前俯视图，图4(b)为吸能结构受压变形后俯视图。当结构受到压缩载荷作用时，载荷通过表面均匀传递到层与层之间的支撑杆上，从而引起支撑杆的压缩形变，同时由于螺旋倾角的存在，支撑杆会相应产生弯曲以及扭转，进而导致下层结构单元的旋转，如图4(b)所示，所有单元均发生逆时针的旋转。在此变形的基础上，每一个单元之间由于相对旋转角的产生，会对横向连接杆产生拉力与弯矩，于是各横向连杆产生拉伸与弯曲，同时各单元间距变小，产生结构横向各单元向受载中心收缩的效果。

基于该特殊结构，相较于一般传统框架结构或薄壁结构，其在受到较为集中的载荷冲击时，能够通过每一层结构的扭转将冲击传递至相邻单元，同时上下以及横向单元之间连杆的作用可以使得结构吸能分散至结构各处，且以多种形式形变能量进行存储。在结构材料选择上，若使用韧性较高的材料进行3D打印加工制作，可以获得在变形初期弹性模量较小，而在较大形变时弹性模量大幅提升的效果，从而在很大程度上减小初始冲击时的应力峰值，使冲击力的消耗更加平滑。尽管相较于金属薄壁结构塑性形变的吸能量来说，弹性吸能量级较小，但通过该微小结构的层叠，可以在很大程度上提高结构在达到屈服极限前的弹性位移，从而能够利用较大的位移吸收初始冲击力，而后利用较大的反力吸收残余冲击，对于集中、多次、小量级冲击能量(如防弹、防震)的吸收具有较大的优势。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构，其特征在于，包含若干依次层叠的吸能层；

所述吸能层包含若干六边形手性结构单胞；

所述六边形手性结构单胞包含中心圆环以及第一至第六连接杆；所述中心圆环内径为r₀、外径为R；所述第一至第六连接杆均一端和所述中心圆环的外壁相连、另一端朝外，形成逆时针或顺时针旋向，且第一至第六连接杆两条长边之间的中线均和所述中心圆环的外壁相切、形成六个相切点，所述六个相切点将中心圆环的外圈等分位六等分；所述第一至第六连接杆的宽度均为b₁；所述中心圆环、第一至第六连接杆的厚度均为h；

所述吸能层中六边形手性结构单胞的旋向相同，且相邻六边形手性结构单胞的第一至第六连接杆对应相连、形成阵列；

相邻吸能层的六边形手性结构单胞的一一对应且旋向相反，且相邻吸能层对应六边形手性结构单胞之间均设有层间螺旋支撑结构；

所述层间螺旋支撑结构包含第一至第六支撑杆；所述第一至第六支撑杆均为转角θ为60°倍数的螺旋线、旋向和下层六边形手性结构单胞的旋向相同、高度为H、螺旋半径为R，表达式如下：

所述第一至第六支撑杆的上端分别和上层六边形手性结构单胞的六个相切点一一对应相连，下端和下层六边形手性结构单胞的六个相切点一一对应相连。

2.根据权利要求1所述的新型三维手性负泊松比多胞吸能结构，其特征在于，所述第一至第六支撑杆的的横截面形状为圆截面、矩形截面、变截面中的任意一种。

Images