CN112922992B - 平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面小半周界面型负泊松比‑蜂窝复合吸能结构，具有位于同一平面上且交替排列的蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域，且蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域通过平面小半周界面结构复合连接。与现有技术相比，本发明的连接边，可使得结构为负泊松比结构与蜂窝结构相穿插的形式，平面的对接形态也将隔离蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域的相互作用，对多段不等变形的应用具有较大的意义；如再添加封闭边，界面结构刚度和隔离作用将继续加强；此外通过调控e1和e2的数值可以调控界面结构的强弱以及界面结构的非对称性，从而调控界面变化。而且其镶嵌性特点，也将增加两种结构区域间的协同变形作用。

Description

平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构
技术领域
本发明涉及吸能结构技术领域，尤其是涉及一种平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构。
背景技术
吸能结构即吸收能量的结构，以蜂窝结构作为典型代表的传统多孔复合结构，具有较高的面内、面外刚度和较好的能量吸能能力。对于多孔结构来说，平台应力是评价能量吸收性能的重要指标。具备优异能量吸收能力的多孔结构应具备平台应力高、持续时间长、平台应力稳定等特点
通常蜂窝材料在宏观上都呈现正泊松比，正泊松比材料在受到单轴拉伸时横向会发生收缩，在整体受到冲击或压缩载荷时，吸能结构的变形模式也较为简单，导致缓冲吸能效果较差。但是负泊松比(auxetic)材料反而会发生侧向膨胀，这种反常的“拉胀”行为使它逐渐得到关注，成为具有发展潜力的一种新材料。
中国专利CN108082102A公开了一种基于内凹六边形单元的负泊松比结构部件，包括多个单胞结构，每个单胞结构由两个内凹六边形组成，内凹六边形呈左右对称的燕尾形状，两个内凹六边形呈正交排布且相交于两凹角顶点，从而形成一个完整的单胞结构；多个单胞结构在水平两方向上通过共享一根支撑胞臂的方式相互连接，在水平方向延伸形成一个连续的单元层；多个单元层在垂直方向通过共享弯曲肋的方式相互连接，构成多层交叉排列的内凹蜂窝状三维负泊松比结构。虽然该专利采用负泊松比的单胞结构从而具有明显负泊松比效应，但是其手段单一，吸能性能依然有待提高。
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平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构，具有位于同一平面上且交替排列的蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域，且蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域通过平面小半周界面结构复合连接；
蜂窝状结构区域由位于同一平面上的多层蜂窝层状单体组成，每层蜂窝层状单体(横向层状单体)由多个依次排列的蜂窝单体以及连接在相邻两个蜂窝单体之间中位线处并呈“一”字形布置的蜂窝连接壁组成，相邻两层蜂窝层状单体以蜂窝单体底边与底边重合的方式连接，由此可以迭出无数层蜂窝结构；
内折六边形负泊松比结构区域由位于同一平面上的多层内折六边形层状单体组成，每层内折六边形层状单体由多个依次排列的内折六边形结构单体以及连接在相邻两个内折六边形结构单体之间中位线处并呈“一”字形布置的负泊松比连接壁组成，相邻两层内折六边形层状单体以内折六边形结构单体底边与底边重合的方式连接，由此可以迭出无数层内折六边形负泊松比结构；
蜂窝状结构区域的蜂窝单体与内折六边形负泊松比结构区域的内折六边形结构单体相互插槽排列(即蜂窝单体的底边正对内折六边形层状单体中相邻两个内六边形结构单体之间的槽中，反之亦然)；
临近内折六边形负泊松比结构区域的蜂窝状结构区域的蜂窝层状单体从蜂窝连接壁处，将蜂窝连接壁以及蜂窝单体靠近内折六边形负泊松比结构区域的一半部分去除；临近蜂窝状结构区域的内折六边形负泊松比结构区域的内折六边形层状单体从负泊松比连接壁处，将负泊松比连接壁以及内折六边形结构单体靠近蜂窝状结构区域的一半部分去除；蜂窝单体余下的一半部分和内折六边形结构单体余下的一半部分均具有两个连接节点(由于去除大部分结构，形成的自由端)；
通过将内折六边形结构单体余下的一半部分的两个连接节点与两个相邻的蜂窝单体余下的一半部分上临近的两个连接节点相连接，并将内折六边形结构单体余下的一半部分和蜂窝单体余下的一半部分上均添加贯穿的连接边L1，形成平面小半周界面结构。可使得结构为负泊松比结构与蜂窝结构相穿插的形式，即一种零泊松比结构，除性能加强外，还具有一些工程特性，并且，平面的对接形态也将隔离蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域的相互作用，对多段不等变形的应用具有较大的意义。
本发明中，蜂窝状结构区域相对较柔，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。复合结构能够实现吸能结构的“刚柔并济”，更高效的实现缓冲效能。
优选地，
蜂窝单体余下的一半部分上贯穿的连接边L1与蜂窝单体余下的一半部分的连接节点(即原蜂窝单体的中位线)的距离为e1，内折六边形结构单体余下的一半部分上贯穿的连接边L1与内折六边形结构单体余下的一半部分的连接节点(即原内折六边形结构单体的中位线)的距离为e2，设平面小半周界面结构厚度为hb，通过调整e1和e2的数值，依据(e2+e1)/hb来调控平面小半周界面结构强弱，并依据e1/e2来调控平面小半周界面结构的非对称性，从而调控平面小半周界面结构的界面变化。而且其镶嵌性特点，实则也将增加两种结构区域间的协同变形作用。
优选地，当e1＝e2时，蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域各占50％的比例。
优选地，所述的平面小半周界面结构还包括分别贯穿设置于内折六边形结构单体余下的一半部分节点处和蜂窝单体余下的一半部分节点处的封闭边L2。通过添加该贯穿的封闭边L2，界面结构刚度和隔离作用将继续加强。
优选地，
蜂窝单体的由2条长为a的底边和4条长为b的侧壁构成，平行于底边的对角线的长度为c，两条相邻侧壁的夹角为α，壁厚为t；蜂窝连接壁的长度为a，与底边的长度相等；
内折六边形结构单体由2条长为c’的底边和4条长为b’的侧壁构成，平行于底边的对角线的长度为a’，壁厚为t’；负泊松比连接壁的长度为c’，与底边长度相等。
优选地，a＝a’，c＝c’，t＝t’。
上述蜂窝单体中a，b，c以及内折六边形结构单体中a’，b’，c’是指壁厚中位长度。
优选地，蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域分别具有至少1个；蜂窝状结构区域具有至少2层蜂窝层状单体，内折六边形负泊松比结构区域具有至少2层内折六边形层状单体，，蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域内部都至少要又两层对应的层状单体以发挥各自的效能；每层蜂窝层状单体具有至少3个蜂窝单体，每层内折六边形层状单体具有至少3个内折六边形结构单体。
优选地，该复合吸能结构系二维平面经拉伸后得到的三维结构。
优选地，该复合吸能结构三维拉伸后，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。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
负泊松比结构整个应力应变曲线分为四个区域，依次为弹性区、平台区、平台应力增强区以及密实化区。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。
平面小半周界面结构如只添加连接边L1，可使得结构为负泊松比结构与蜂窝结构相穿插的形式，即一种零泊松比结构，除性能加强外，还具有一些工程特性，并且，平面的对接形态也将隔离蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域的相互作用，对多段不等变形的应用具有较大的意义；如再添加封闭边L2，界面结构刚度和隔离作用将继续加强。此外通过调控e1和e2的数值可以调控界面结构的强弱((e2+e1)/hb,hb-界面厚度))以及界面结构的非对称性(e1/e2)，从而调控界面变化。而且其镶嵌性特点，实则也将增加两种结构区域间的协同变形作用。
附图说明
图1为蜂窝单体结构示意图；
图2为蜂窝层状单体示意图；
图3为相邻两层蜂窝层状单体的复合示意图；
图4为内折六边形结构单体结构示意图；
图5为内折六边形层状单体的示意图；
图6为相邻两层内折六边形层状单体的复合示意图；
图7为本发明的复合吸能结构的总体复合示意图；
图8为本发明的平面小半周界面结构示意图(图中方格阴影部分)；
图9(a)和图9(b)分别为蜂窝层状单体和内折六边形层状单体向平面小半周界面结构转化的示意图；
图10(a)和图10(b)为两种不同形式的平面小半周界面结构的形成示意图；
图11为实施例1的方形复合吸能结构的截面示意图；
图12为实施例2的方形复合吸能结构的截面示意图。
图中，1为蜂窝状结构区域，11为蜂窝层状单体，111为蜂窝单体，112为蜂窝连接壁，2为内折六边形负泊松比结构区域，21为内折六边形层状单体，211为内折六边形结构单体，222为负泊松比连接壁，3为平面小半周界面结构，31为连接节点，32为连接边，33为封闭边，4为边框。
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。
本发明中的平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构，具有位于同一平面上且交替排列的蜂窝状结构区域1和内折六边形负泊松比结构区域2，且蜂窝状结构区域1和内折六边形负泊松比结构区域2通过平面小半周界面结构3复合连接。该复合结构为内折六边形负泊松比结构与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，该结构主要包含四大特征：具有蜂窝状结构区域1、内折六边形负泊松比结构区域2、“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。
蜂窝状结构区域1由位于同一平面上的多层蜂窝层状单体11组成，每层蜂窝层状单体11(横向层状单体)由多个依次排列的蜂窝单体111以及连接在相邻两个蜂窝单体111之间中位线处并呈“一”字形布置的蜂窝连接壁112组成，相邻两层蜂窝层状单体11以蜂窝单体111底边与底边重合的方式连接。蜂窝型单体的关键结构尺寸如图1所示，为2条长为a的底边和4条长为b的侧壁构成，有一平行于底边的对角线长度为c，两条相邻侧壁夹角为α，线宽/壁厚为t，这里a，b，c是指壁厚中位长度。而蜂窝层状单体11(单层结构)如图2所示的横向层状单体，蜂窝层状单体11优选的最少单层阵列应至少出现3个六边形(蜂窝单体111)，如图2所示。蜂窝连接壁112(中间连接线)的长度为a，与底边长度相等。而相邻两层蜂窝结构的复合方式如图3所示，即底边与底边完全重合。由此可以迭出无数层蜂窝结构。
内折六边形负泊松比结构区域2由位于同一平面上的多层内折六边形层状单体21组成，每层内折六边形层状单体21由多个依次排列的内折六边形结构单体211以及连接在相邻两个内折六边形结构单体211之间中位线处并呈“一”字形布置的负泊松比连接壁212组成，相邻两层内折六边形层状单体21以内折六边形结构单体211底边与底边重合的方式连接。内折六边形结构单体211尺寸如图4所示，为2条长为c’的底边和4条长为b’的侧壁构成，有一平行于底边的对角线长度为a’而两条相邻侧壁夹角为α’，线宽/壁厚为t’，这里a’，b’，c’是指壁厚中位长度。而内折六边形层状单体21(单层结构)如图5所示的横向层状单体，内折六边形层状单体21优选的最少单层阵列应至少出现3个内折六边形结构单体211，如图5所示。中间的连接线长度为c’，与底边长度相等。而相邻两层内折六边形层状单体21的复合方式如图6所示，即底边与底边完全重合。由此可以迭出无数层内折六边形负泊松比结构。
如图7所示，蜂窝状结构区域1的蜂窝单体111与内折六边形负泊松比结构区域2的内折六边形结构单体211相互插槽排列(即蜂窝单体111的底边正对内折六边形层状单体21中相邻两个内六边形结构单体211之间的槽中，反之亦然)，由此，复合的结构，两种单体优选的尺寸参数关系为a＝a’，c＝c’和t＝t’。至少蜂窝状结构区域1和内折六边形负泊松比结构区域2各有1层，蜂窝状结构区域1和内折六边形负泊松比结构区域2内部都至少要又两层对应的层状单体以发挥各自的效能。在两层单体之间夹着“负泊松比-蜂窝”复合结构界面区域。
如图9(a)所示，临近内折六边形负泊松比结构区域2的蜂窝状结构区域1的蜂窝层状单体11从蜂窝连接壁112处，将蜂窝连接壁112以及蜂窝单体111靠近内折六边形负泊松比结构区域2的一半部分去除。如图9(b)所示，临近蜂窝状结构区域1的内折六边形负泊松比结构区域2的内折六边形层状单体221从负泊松比连接壁212处，将负泊松比连接壁212以及内折六边形结构单体211靠近蜂窝状结构区域1的一半部分去除；蜂窝单体111余下的一半部分和内折六边形结构单体211余下的一半部分均具有两个连接节点31。
通过将内折六边形结构单体211余下的一半部分的两个连接节点31与两个相邻的蜂窝单体111余下的一半部分上临近的两个连接节点31相连接，并将内折六边形结构单体211余下的一半部分和蜂窝单体111余下的一半部分上均添加贯穿的连接边32(L1)，形成平面小半周界面结构3，如图10和图8所示。
优选蜂窝单体余下的一半部分上贯穿的连接边L1与蜂窝单体余下的一半部分的连接节点(即原蜂窝单体的中位线)的距离为e1，内折六边形结构单体余下的一半部分上贯穿的连接边L1与内折六边形结构单体余下的一半部分的连接节点(即原内折六边形结构单体的中位线)的距离为e2，设平面小半周界面结构厚度为hb，通过调整e1和e2的数值，依据(e2+e1)/hb来调控平面小半周界面结构强弱，并依据e1/e2来调控平面小半周界面结构的非对称性，从而调控平面小半周界面结构的界面变化。而且其镶嵌性特点，实则也将增加两种结构区域间的协同变形作用。当e1＝e2时，蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域各占50％的比例。
平面小半周界面结构还包括分别贯穿设置于内折六边形结构单体余下的一半部分节点处和蜂窝单体余下的一半部分节点处的封闭边L2。通过添加该贯穿的封闭边L2，界面结构刚度和隔离作用将继续加强。
优选该复合吸能结构蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域。优选该复合吸能结构三维拉伸后，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。
蜂窝状结构区域1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2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。复合结构能够实现吸能结构的“刚柔并济”，更高效的实现缓冲效能。
实施例1
56.25mm×50mm的方形复合吸能结构
图11为56.25mm×50mm的方形复合吸能结构的截面(包含50mm内层和6.25mm的界面层)，两种单层和界面层的厚度h＝h’＝hb＝6.25mm,a＝a’＝3.49mm，b＝b’＝3.46mm，c＝c’＝6.32mm，e1＝e2＝h/4，t约为0.6mm。复合方式为1组蜂窝型与1组内折六边形负泊松比结构，每组都包含4层单体结构(负泊松比-N4；蜂窝状-C4，合N4C4)，每层都包含5个单体结构，界面状态为平面小半周界面结构界面型。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。为了配合外部的正方形外形，特四周添加边框4，且边框4厚度为0.6mm。
实施例2
图12为68.75mm×50mm的方形复合吸能结构的截面(包含50mm内层和3×6.25mm的界面层)，两种单层和界面层的厚度h＝h’＝hb＝6.25mm,a＝a‘＝3.49mm，b＝b’＝3.46mm，c＝c’＝6.32mm，e1＝e2＝h/4，t约为0.6mm。复合方式为2组蜂窝型与2组内折六边形负泊松比结构，每组都包含2层单体结构(负泊松比-N2；蜂窝状-C2，合N2C2)，每层都包含5个单体结构，界面状态为平面小半周界面结构界面型。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。为了配合外部的正方形外形，特四周添加边框4，且边框4厚度为0.6mm。
上述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 (5)

1.一种平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构，其特征在于，具有位于同一平面上且交替排列的蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域，且蜂窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域通过平面小半周界面结构复合连接；
蜂窝状结构区域由位于同一平面上的多层蜂窝层状单体组成，每层蜂窝层状单体由多个依次排列的蜂窝单体以及连接在相邻两个蜂窝单体之间中位线处并呈“一”字形布置的蜂窝连接壁组成，相邻两层蜂窝层状单体以蜂窝单体底边与底边重合的方式连接；
内折六边形负泊松比结构区域由位于同一平面上的多层内折六边形层状单体组成，每层内折六边形层状单体由多个依次排列的内折六边形结构单体以及连接在相邻两个内折六边形结构单体之间中位线处并呈“一”字形布置的负泊松比连接壁组成，相邻两层内折六边形层状单体以内折六边形结构单体底边与底边重合的方式连接；
蜂窝状结构区域的蜂窝单体与内折六边形负泊松比结构区域的内折六边形结构单体相互插槽排列；
临近内折六边形负泊松比结构区域的蜂窝状结构区域的蜂窝层状单体从蜂窝连接壁处，将蜂窝连接壁以及蜂窝单体靠近内折六边形负泊松比结构区域的一半部分去除；临近蜂窝状结构区域的内折六边形负泊松比结构区域的内折六边形层状单体从负泊松比连接壁处，将负泊松比连接壁以及内折六边形结构单体靠近蜂窝状结构区域的一半部分去除；蜂窝单体余下的一半部分和内折六边形结构单体余下的一半部分均具有两个连接节点；
通过将内折六边形结构单体余下的一半部分的两个连接节点与两个相邻的蜂窝单体余下的一半部分上临近的两个连接节点相连接，并将内折六边形结构单体余下的一半部分和蜂窝单体余下的一半部分上均添加贯穿的连接边，形成平面小半周界面结构；
蜂窝单体余下的一半部分上贯穿的连接边与蜂窝单体余下的一半部分的连接节点的距离为e1，内折六边形结构单体余下的一半部分上贯穿的连接边与内折六边形结构单体余下的一半部分的连接节点的距离为e2，设平面小半周界面结构厚度为hb，通过调整e1和e2的数值，依据(e2+e1)/hb来调控平面小半周界面结构强弱，并依据e1/e2来调控平面小半周界面结构的非对称性，从而调控平面小半周界面结构的界面变化；
蜂窝单体的由2条长为a的底边和4条长为b的侧壁构成，平行于底边的对角线的长度为c，两条相邻侧壁的夹角为α，壁厚为t；蜂窝连接壁的长度为a，与底边的长度相等；
内折六边形结构单体由2条长为c’的底边和4条长为b’的侧壁构成，平行于底边的对角线的长度为a’，壁厚为t’；负泊松比连接壁的长度为c’，与底边长度相等，a=a’，c=c’，t=t’；
蜂 窝状结构区域和内折六边形负泊松比结构区域分别具有至少1个；蜂窝状结构区域具有至少2层蜂窝层状单体，内折六边形负泊松比结构区域具有至少2层内折六边形层状单体；每层蜂窝层状单体具有至少3个蜂窝单体，每层内折六边形层状单体具有至少3个内折六边形结构单体；
所述的平面小半周界面结构还包括分别贯穿设置于内折六边形结构单体余下的一半部分节点处和蜂窝单体余下的一半部分节点处的封闭边。
2.根据权利要求1所述的平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构，其特征在于，当e1=e2时，两种结构区域各占50%的比例。
3.根据权利要求1所述的平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构，其特征在于，该复合吸能结构系二维平面经拉伸后得到的三维结构。
4.根据权利要求3所述的平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构，其特征在于，该复合吸能结构三维拉伸后，可形成多个封闭管道结构。
5.根据权利要求1所述的平面小半周界面型负泊松比-蜂窝复合吸能结构，其特征在于，该复合吸能结构的四周还套设有边框。
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