CN112922985A - 内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，包括依次交替设置的多个竖向蜂窝型结构单元及多个竖向内折六边形负泊松比结构单元，竖向蜂窝型结构单元包括至少两排竖向蜂窝型结构层，相邻两排竖向蜂窝型结构层错位设置，竖向内折六边形负泊松比结构单元包括至少两排竖向内折六边形负泊松比结构层，相邻两排竖向内折六边形负泊松比结构层错位设置，竖向蜂窝型结构单元与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单元对位设置。与现有技术相比，本发明结合蜂窝型结构单元及内折六边形负泊松比结构单元的优势，并设计了内部错位、界面对位结构，综合性能优异。

Description

内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构
技术领域
本发明属于吸能材料技术领域，涉及一种内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构。
背景技术
吸能过程是一个能量转换的过程，包括动能与内能的转化，动能与其他形式能量的转化。常见的吸能材料为多孔材料，其是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构材料。典型的孔结构有：由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料；更为普遍的是由大量有序或无序(即规则或不规则)的孔洞在空间聚集形成的三维结构。
负泊松比材料是指在受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时，材料的横向反而发生收缩。近年来发现的一些特殊结构的材料具有这种负泊松比效应，由于其奇特的性能而倍受材料科学家和物理学家们的重视。
负泊松比材料所具有的先进的吸能、耗能结构，使其被应用于吸能材料领域中，并被生产为各种生活用品。然而，如何充分利用负泊松比材料的优良特性，进一步提高负泊松比吸能材料的性能，仍有待于深入研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，该复合吸能结构包括依次交替设置的多个竖向蜂窝型结构单元及多个竖向内折六边形负泊松比结构单元，所述的竖向蜂窝型结构单元包括至少两排竖向蜂窝型结构层，相邻两排竖向蜂窝型结构层错位设置，每一排竖向蜂窝型结构层包括多个竖向蜂窝型结构单体，所述的竖向内折六边形负泊松比结构单元包括至少两排竖向内折六边形负泊松比结构层，相邻两排竖向内折六边形负泊松比结构层错位设置，每一排竖向内折六边形负泊松比结构层包括多个竖向内折六边形负泊松比结构单体，所述的竖向蜂窝型结构单元与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单元对位设置。
进一步地，所述的竖向蜂窝型结构单体由2条竖向设置且长度为a的底边和4条长度为b的侧壁围合而成，平行于底边的对角线长度为c，两条相邻侧壁之间的内角为α，壁厚为t，其中，a、b、c、t均为正数，α<180°。这里a，b，c是指壁厚中位长度。
进一步地，所述的竖向蜂窝型结构层包括至少4个竖向蜂窝型结构单体，相邻两竖向蜂窝型结构单体对应的底边完全重合；相邻两排竖向蜂窝型结构层的竖向蜂窝型结构单体错位设置。由此可以迭出无数层蜂窝型结构层。
进一步地，所述的竖向内折六边形负泊松比结构单体由2条竖向设置且长度为c’的底边和4条长为b’的侧壁围合而成，平行于底边的对角线长度为a’，两条相邻侧壁之间的内角为α’，壁厚为t’，其中，a’、b’、c’、t’均正数，α’>180°。这里a’，b’，c’是指壁厚中位长度。
进一步地，所述的竖向内折六边形负泊松比结构层包括至少4个竖向内折六边形负泊松比结构单体，相邻两竖向内折六边形负泊松比结构单体对应的底边完全重合；相邻两排竖向内折六边形负泊松比结构层的竖向内折六边形负泊松比结构单体错位设置。由此可以迭出无数层内折六边形负泊松比结构层。
进一步地，所述的竖向蜂窝型结构单元与竖向内折六边形负泊松比结构单元在复合时，竖向蜂窝型结构单体与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单体对位设置，每一个蜂窝型结构单体正对两个内折六边形负泊松比结构单体的中间处，并且b＝b’，t＝t’。至少竖向蜂窝型结构单元和竖向内折六边形负泊松比结构单元各有1层，竖向蜂窝型结构单元和竖向内折六边形负泊松比结构单元内部都至少要有两层对应的层状单体以发挥各自的效能。
进一步地，所述的竖向蜂窝型结构单元与竖向内折六边形负泊松比结构单元在复合时，竖向蜂窝型结构单体与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单体之间形成零厚度的曲折截面。
进一步地，该复合吸能结构还包括2个分别设置在多个竖向蜂窝型结构单元与多个竖向内折六边形负泊松比结构单元组成的结构整体的顶端及底端的端板层。
进一步地，若竖向蜂窝型结构层与端板层相接触，则将竖向蜂窝型结构层裁去一部分，使竖向蜂窝型结构层与端板层之间为平面接触，竖向蜂窝型结构层剩余部分的高度为(0.85-1.12)×a/2。
进一步地，若竖向内折六边形负泊松比结构层与端板层相接触，则将竖向内折六边形负泊松比结构层裁去一部分，使竖向内折六边形负泊松比结构层与端板层之间为平面接触，竖向内折六边形负泊松比结构层剩余部分的高度为(0.88-1.17)×c’/2。
本发明中，当受到外界压力时，蜂窝结构首先发生屈服变形，随着力的增加，负泊松比结构也发生屈服变形，相对于一般的蜂窝结构来说，复合吸能结构由于负泊松比效应的存在会使得结构应力应变曲线在平台区后出现平台应力增强的现象，这一阶段在应力应变所围成的面积中占比较大，因此这一阶段对于结构整体吸收能量的能力拥有着不可忽视的作用。其次蜂窝结构区域相对较柔，承担大变形吸能功能；而内折六边形负泊松比结构区域由于其较大的抗变形内力显得结构刚度更强，承担相对刚性的抗冲功能。将两种结构复合到一起，将实现吸能结构的“刚柔并济”，更高效的实现缓冲效能。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明提供了一种内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，该复合吸能结构为竖向内折六边形负泊松比结构与竖向蜂窝型结构的层状方式复合，系平面二维拉伸后得到的三维结构，该结构主要包含4大特征：具有蜂窝状结构区域、内折六边形负泊松比结构区域、“负泊松比-蜂窝”复合结构界面区域以及复合方式。该结构将实现吸能结构的“刚柔并济”，更高效的实现缓冲效能。
2)本发明中，竖向蜂窝结构区域相对较柔，承担大变形吸能功能；而竖向内折六边形负泊松比结构区域由于其较大的抗变形内力显得结构刚度更强，承担相对刚性的抗冲功能。
附图说明
图1为本发明中竖向蜂窝型结构单体的结构示意图；
图2为本发明中竖向蜂窝型结构层的结构示意图；
图3为本发明中竖向蜂窝型结构单元的结构示意图；
图4为本发明中竖向内折六边形负泊松比结构单体的结构示意图；
图5为本发明中竖向内折六边形负泊松比结构层的结构示意图；
图6为本发明中竖向内折六边形负泊松比结构单元的结构示意图；
图7为本发明中复合吸能结构的总体结构示意图；
图8为实施例2中复合吸能结构的示意图；
图9为实施例3中复合吸能结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，该复合吸能结构包括依次交替设置的多个竖向蜂窝型结构单元及多个竖向内折六边形负泊松比结构单元，竖向蜂窝型结构单元包括至少两排竖向蜂窝型结构层，相邻两排竖向蜂窝型结构层错位设置，每一排竖向蜂窝型结构层包括多个竖向蜂窝型结构单体，竖向内折六边形负泊松比结构单元包括至少两排竖向内折六边形负泊松比结构层，相邻两排竖向内折六边形负泊松比结构层错位设置，每一排竖向内折六边形负泊松比结构层包括多个竖向内折六边形负泊松比结构单体，竖向蜂窝型结构单元与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单元对位设置。
如图1、图2、图3所示，竖向蜂窝型结构单体由2条竖向设置且长度为a的底边和4条长度为b的侧壁围合而成，平行于底边的对角线长度为c，两条相邻侧壁之间的内角为α，壁厚为t，其中，a、b、c、t均为正数，α<180°。竖向蜂窝型结构层包括至少4个竖向蜂窝型结构单体，相邻两竖向蜂窝型结构单体对应的底边完全重合。4条侧壁在竖向蜂窝型结构层的上下部，单个竖向蜂窝型结构层的等效层厚如图2所示，取上部和下部邻边的中点，垂直于底边作垂线(如图2虚线所示)，两条虚线间的间距h为竖向蜂窝型结构层单层层厚。如图3所示，相邻两排竖向蜂窝型结构层的竖向蜂窝型结构单体错位设置，即正对的顶点完全重合或六角折边重合。由此可以迭出无数层竖向蜂窝型结构层。
如图4、图5、图6所示，竖向内折六边形负泊松比结构单体由2条竖向设置且长度为c’的底边和4条长为b’的侧壁围合而成，平行于底边的对角线长度为a’，两条相邻侧壁之间的内角为α’，壁厚为t’，其中，a’、b’、c’、t’均正数，α’>180°。竖向内折六边形负泊松比结构层包括至少4个竖向内折六边形负泊松比结构单体，相邻两竖向内折六边形负泊松比结构单体对应的底边完全重合。4条侧壁在竖向内折六边形负泊松比结构层的上下部，单个竖向内折六边形负泊松比结构层的等效层厚如图5所示，取上部和下部邻边的中点，垂直于底边作垂线(如5虚线所示)，两条虚线间的间距h’为竖向内折六边形负泊松比结构层单层层厚。如图6所示，相邻两排竖向内折六边形负泊松比结构层的竖向内折六边形负泊松比结构单体错位设置，即正对的顶点完全重合或六角折边重合。由此可以迭出无数层竖向内折六边形负泊松比结构层。
如图7所示，竖向蜂窝型结构单元与竖向内折六边形负泊松比结构单元在复合时，竖向蜂窝型结构单体与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单体对位设置，每一个蜂窝型结构单体正对两个内折六边形负泊松比结构单体的中间处，并且b＝b’(即层厚h＝h’)，t＝t’。
竖向蜂窝型结构单元与竖向内折六边形负泊松比结构单元在复合时，竖向蜂窝型结构单体与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单体之间形成零厚度的曲折截面，在两层单体之间可自然过渡。
该复合吸能结构还包括2个分别设置在多个竖向蜂窝型结构单元与多个竖向内折六边形负泊松比结构单元组成的结构整体的顶端及底端的端板层。若竖向蜂窝型结构层与端板层相接触，则将竖向蜂窝型结构层裁去一部分，使竖向蜂窝型结构层与端板层之间为平面接触，竖向蜂窝型结构层剩余部分的高度为(0.85-1.12)×a/2，如图7上部的粗边所示。若竖向内折六边形负泊松比结构层与端板层相接触，则将竖向内折六边形负泊松比结构层裁去一部分，使竖向内折六边形负泊松比结构层与端板层之间为平面接触，竖向内折六边形负泊松比结构层剩余部分的高度为(0.88-1.17)×c’/2，如图7下部的粗边所示。这样可较优发挥各自结构的吸能效果。
截面结构在三维拉伸后，可形成多个封闭管道结构，这些管道结构可用来填充液体(用以输送冷却液或储存防爆液等等)、掩埋电气部件等作用。如填充液体可以通过液体的液压作用，而填充防爆液时可以在结构受损后，使防爆液泄入结构外的空间以发挥抑爆作用。
实施例2：
图8为53.125mm×50mm的方形复合吸能结构的截面，两种单层的厚度h＝h’＝6.25mm，a＝a’＝3.49mm，b＝b’＝3.46mm，c＝c’＝6.32mm，t约为0.6mm。复合方式1组竖向蜂窝型与1组竖向内折六边形负泊松比结构，每组都包含4层完整的单体结构(负泊松比-N4；蜂窝状-C4，合N4C4)，每层都包含8个单体结构。该吸能结构能明显显示变形差异性，并且表现出较好的受力状态以轻量化的抗冲击。为了配合外部的方形外形，特四周添加边框，且边框厚度为0.6mm。
实施例3：
图9为50mm×50mm的方形复合吸能结构的截面，两种单层的厚度h＝h’＝6.25mm，a＝a’＝3.49mm，b＝b’＝3.46mm，c＝c’＝6.32mm，t约为0.6mm。复合方式2组竖向蜂窝型与2组竖向内折六边形负泊松比结构，每组都包含2层完整的单体结构(负泊松比-N2；蜂窝状-C2，合N2C2)，每层都包含8个单体结构。该吸能结构能明显显示多层次的变形差异性，并且表现出较好的受力状态以轻量化的抗冲击。为了配合外部的方形外形，特四周添加边框，且边框厚度为0.6mm。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，该复合吸能结构包括依次交替设置的多个竖向蜂窝型结构单元及多个竖向内折六边形负泊松比结构单元，所述的竖向蜂窝型结构单元包括至少两排竖向蜂窝型结构层，相邻两排竖向蜂窝型结构层错位设置，每一排竖向蜂窝型结构层包括多个竖向蜂窝型结构单体，所述的竖向内折六边形负泊松比结构单元包括至少两排竖向内折六边形负泊松比结构层，相邻两排竖向内折六边形负泊松比结构层错位设置，每一排竖向内折六边形负泊松比结构层包括多个竖向内折六边形负泊松比结构单体，所述的竖向蜂窝型结构单元与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单元对位设置。
2.根据权利要求1所述的内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，所述的竖向蜂窝型结构单体由2条竖向设置且长度为a的底边和4条长度为b的侧壁围合而成，平行于底边的对角线长度为c，两条相邻侧壁之间的内角为α，壁厚为t，其中，a、b、c、t均为正数，α<180°。
3.根据权利要求2所述的内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，所述的竖向蜂窝型结构层包括至少4个竖向蜂窝型结构单体，相邻两竖向蜂窝型结构单体对应的底边完全重合；相邻两排竖向蜂窝型结构层的竖向蜂窝型结构单体错位设置。
4.根据权利要求2所述的内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，所述的竖向内折六边形负泊松比结构单体由2条竖向设置且长度为c’的底边和4条长为b’的侧壁围合而成，平行于底边的对角线长度为a’，两条相邻侧壁之间的内角为α’，壁厚为t’，其中，a’、b’、c’、t’均正数，α’>180°。
5.根据权利要求4所述的内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，所述的竖向内折六边形负泊松比结构层包括至少4个竖向内折六边形负泊松比结构单体，相邻两竖向内折六边形负泊松比结构单体对应的底边完全重合；相邻两排竖向内折六边形负泊松比结构层的竖向内折六边形负泊松比结构单体错位设置。
6.根据权利要求4所述的内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，所述的竖向蜂窝型结构单元与竖向内折六边形负泊松比结构单元在复合时，竖向蜂窝型结构单体与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单体对位设置，每一个蜂窝型结构单体正对两个内折六边形负泊松比结构单体的中间处，并且b＝b’，t＝t’。
7.根据权利要求6所述的内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，所述的竖向蜂窝型结构单元与竖向内折六边形负泊松比结构单元在复合时，竖向蜂窝型结构单体与相邻的竖向内折六边形负泊松比结构单体之间形成零厚度的曲折截面。
8.根据权利要求7所述的内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，该复合吸能结构还包括2个分别设置在多个竖向蜂窝型结构单元与多个竖向内折六边形负泊松比结构单元组成的结构整体的顶端及底端的端板层。
9.根据权利要求8所述的内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，若竖向蜂窝型结构层与端板层相接触，则将竖向蜂窝型结构层裁去一部分，使竖向蜂窝型结构层与端板层之间为平面接触，竖向蜂窝型结构层剩余部分的高度为(0.85-1.12)×a/2。
10.根据权利要求8所述的内部错位、界面对位的负泊松比型竖向复合吸能结构，其特征在于，若竖向内折六边形负泊松比结构层与端板层相接触，则将竖向内折六边形负泊松比结构层裁去一部分，使竖向内折六边形负泊松比结构层与端板层之间为平面接触，竖向内折六边形负泊松比结构层剩余部分的高度为(0.88-1.17)×c’/2。
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