CN112922995B - 一种基于负泊松比结构的复合吸能结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于负泊松比结构的复合吸能结构，其特征在于，所述复合吸能结构包括内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域层状复合而成，为一种三维结构。与现有技术相比，本发明利用蜂窝型结构区域相对较柔，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。

Description

一种基于负泊松比结构的复合吸能结构

技术领域

本发明涉及吸能材料技术领域，尤其是涉及一种基于负泊松比结构的复合吸能结构。

背景技术

吸能结构即吸收能量的结构，是一种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(张伟,侯文彬,胡平.新型负泊松比多孔吸能盒平台区力学性能[J].复合材料学报,2015,32(2):534-541.)。

受大自然蜂巢的启迪，人类通过长期研究和分析自然蜂窝结构的特点，惊奇地发现该结构具有众多优异的性能。因此，根据仿生学原理，人们创造性地发明了各种蜂窝复合结构材料及其制品，为工程中的结构设计打开了新的思路，有效地解决了工程中的许多难题。与相同类型的实体材料结构相比，蜂窝结构材料，其强度重量比和刚性重量比在现有材料中均处于优势地位。蜂窝结构具有许多优越的性能，从力学角度分析，封闭的六角等边蜂窝结构相比其他结构，能以最少的材料获得最好的力学性能，而蜂窝结构板受垂直于板面的载荷时，它的弯曲刚度与同材料、同厚度的实心板相差无几，甚至更高，但其重量却轻70～90％，而且不易变形、不易断裂、并具有减震、隔音、隔热等众多优点集一身。

在航空航天领域，最早开始使用蜂窝材料是将蜂窝材料制作成各种壁板，用于翼面、舱面、舱盖、地板、发动机护罩、尾喷管、消音板、隔热板、卫星星体外壳、刚性太阳电池翼、抛物面天线、火箭推进剂贮箱箱底等。由于火箭、航天飞机在运行过程中对重量有严格的限制，因此，必须在保证结构强度的前提下，减轻火箭和航天飞机的重量，由于蜂窝材料具有的众多优点，因此，成为在这些航空领域首选的材料之一。

随着经济的快速发展，交通压力给人们的生活带来了诸多不便，发展快速交通势在必行，这也要求具有高强度质量轻的交通工具来代替传统的汽车、火车。当今普及率非常高的私家轿车在内，减重是降低能耗的最直接最有效的方法，采用蜂窝材料可以很大程度上减轻这些交通工具的重量。同时蜂窝材料也可以作为内部结构，比如地板、门板、墙饰等，在减震隔音的同时还可起到美化作用(岑神德.一种新型负泊松比蜂窝结构的冲击动力学研究[D].暨南大学,2018.)。

随着科学技术的不断发展，蜂窝材料制备工艺逐渐趋于成熟，制造成本大大降低，在各行各业中蜂窝材料的优越性不断体现。在美国，军用汽车制造中，将车轮制作成蜂窝样式的，这样在很大程度上降低了其制造成本，同时还不改变它的承载能力，能够适应复杂的作战环境；蜂窝材料的管材在建筑行业中也被广泛应用，这使得建筑水电设计中实现一体多孔的功能；蜂窝纸板不断取代传统的塑料及木板包装，在包装行业也得到大量生产和采用，做到了真正的节能环保。

通常蜂窝材料在宏观上都呈现正泊松比，但是由于负泊松比材料的出现与发展，目前具有负泊松比效应的蜂窝材料也相继出现并得到应用。正泊松比材料在受到单轴拉伸时横向会发生收缩，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。负泊松比材料因这种独特的拉伸膨胀行为而显示出更突出的力学和物理特性，与传统蜂窝结构相比，负泊松比蜂窝(如手性对称，星型蜂窝等)具有一系列独特的性质，如剪切模量增大，冲击抵抗力增强，断裂韧度增强，更好的吸能效果及同向曲率等(姚兆楠.负泊松比蜂窝材料和功能梯度蜂窝材料的冲击动力学性能研究[D].长安大学,2015.)。

具有负泊松比效应的材料与普通材料相比具有一些独特的性能。主要有以下几个方面(侯秀慧,尹冠生.负泊松比蜂窝抗冲击性能分析[J].机械强度,2016,38(05):905-910.)：第一、根据经典弹性理论表明，泊松比为负值，材料的力学性能会得到增强。与传统材料相比，负泊松比材料的剪切模量、断裂韧性和压痕阻力等特性得到提高；第二、由于负泊松比效应，其结构的变形行为会有很大的不同；第三、负泊松比结构与正泊松比结构相比较，具有压痕阻力效应和更好的抗冲击性能；第四、负泊松比结构具有温度响应特性。

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基于负泊松比结构的复合吸能结构。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种基于负泊松比结构的复合吸能结构，所述复合吸能结构包括内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域层状复合而成，为一种三维结构。

所述复合吸能结构主要包含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区域、“负泊松比-蜂窝”复合结构界面区域以及复合方式。

所述复合吸能结构中，蜂窝型结构区域相对较柔，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。因此，所述复合吸能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。

在本发明的一个实施方式中，所述蜂窝型结构区域由多层横向层状单体层层叠而成，其中，每一层的横向层状单体层由多个蜂窝型单体间隔连接组成所述蜂窝型单体为六边形结构，由2条长度为a的底边和4条长度为b的侧壁构成，平行于底边的对角线长度为c，两条相邻侧壁夹角为α，横向层状单体层中相邻两个蜂窝型单体之间的连接线长度为a，与底边长度相等；

相邻两层的横向层状单体层之间层叠的方式为底边与底边完全重合，即相邻两层的横向层状单体层之间层叠以后，在相邻两层的横向层状单体层之间还形成有新的横向层状单体层。采用这种多层横向层状单体层层叠结构就可以根据需要迭出无数层蜂窝结构。

而相邻两层的横向层状单体层之间形成的新的横向层状单体层以上下两层蜂窝型单体之间的连接线作为自己的底边，以上下两层中蜂窝型单体的侧壁作为自己的侧壁，上下两层蜂窝型单体相贴合的底边作为新形成的横向层状单体层中的蜂窝型单体之间的连接线。

在本发明的一个实施方式中，所述蜂窝型单体壁厚(如果是打印成型的话，也可以称之为线宽)为t。这里a，b，c是指壁厚中位长度。具体而言，就是一条端边中线对另一条端边中线的距离，这是为了周期性叠加，由于形状存在壁厚，这里面为了扣除壁厚问题，所以a，b，c不是直接外框距离，而是壁厚中位长度，否则会少1个壁厚。

在本发明的一个实施方式中，所述内折六边形负泊松比结构区域由多层横向层状单体层层叠而成，其中，每一层的横向层状单体层由多个内折六边形单体间隔连接组成，所述内折六边形单体，由2条长度为c’的底边和4条长度为b’的侧壁构成，平行于底边的对角线长度为a’，两条相邻侧壁夹角为α’，横向层状单体层中相邻两个内折六边形单体之间的连接线长度为a’，与底边长度相等；

相邻两层的横向层状单体层之间层叠的方式为底边与底边完全重合，即相邻两层的横向层状单体层之间层叠以后，在相邻两层的横向层状单体层之间还形成有新的横向层状单体层。采用这种多层横向层状单体层层叠结构就可以根据需要迭出无数层内折六边形负泊松比结构区域。

而相邻两层的横向层状单体层之间形成的新的横向层状单体层以上下两层内折六边形单体之间的连接线作为自己的底边，以上下两层中内折六边形单体的侧壁作为自己的侧壁，上下两层内折六边形单体相贴合的底边作为新形成的横向层状单体层中的内折六边形单体之间的连接线。

在本发明的一个实施方式中，所述内折六边形单体壁厚为t’，t＝t’，这里a’，b’，c’是指壁厚中位长度。具体而言，就是一条端边中线对另一条端边中线的距离，这是为了周期性叠加，由于形状存在壁厚，这里面为了扣除壁厚问题，所以a’，b’，c’不是直接外框距离，而是壁厚中位长度，否则会少1个壁厚。

在本发明的一个实施方式中，本发明提供了一种“负泊松比-蜂窝型”复合吸能结构的复合方式，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域交替排列，内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域接触界面，所述内折六边形负泊松比结构区域的内折六边形单体与蜂窝型结构区域的蜂窝型单体相互插槽排列，即蜂窝型单体底边正对相邻两个内折六边形单体之间的槽中，同时，内折六边形单体的底边正对相邻两个蜂窝型单体之间的槽中。

此种复合结构中，所述蜂窝型单体与内折六边形单体的尺寸参数关系为：a＝a’，c＝c’和t＝t’。

所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域交替排列时，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域均至少有1个，所述内折六边形负泊松比结构区域中至少有横向层状单体层两层，所述蜂窝型结构区域中至少有横向层状单体层两层，以发挥各自的效能。

本发明还提供一种复合结构界面区域的特征为“平面0厚度”型的复合方式，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域交替排列，内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域接触界面，所述内折六边形负泊松比结构区域的内折六边形单体与蜂窝型结构区域的蜂窝型单体拼接时，蜂窝型单体底边正位于相邻两个内折六边形单体相邻两个底边之间，同时，内折六边形单体的底边正位于相邻两个蜂窝型单体相邻两个底边之间，使得界面区域的特征为“平面0厚度”型。此种复合结构，所述蜂窝型单体与内折六边形单体的尺寸参数关系为：a＝a’，c＝c’和t＝t’。

复合结构界面区域的特征为“平面0厚度”型的复合方式中，蜂窝型单体层与内折六边形单体层恰好相接，没有产生任何错层，因而界面区域厚度为零。这种方式在结构过度上最佳，界面畸变最小，但是界面的加强效益也最弱。

本发明上面讲述的复合吸能结构均是基于复合吸能结构截面形状而描述的。

所述复合吸能结构在三维拉伸后，能够形成多个封闭管道结构，这些管道结构可用来填充液体(例如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。

本发明中，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。

本发明中，基于负泊松比结构的复合吸能结构可以通过3D打印的方式来制备得到。

与现有技术相比，本发明复合吸能结构当受到外界压力时，蜂窝型结构区域首先发生屈服变形，随着力的增加，内折六边形负泊松比结构区域也发生屈服变形，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。其次蜂窝型结构区域相对较柔，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。

附图说明

图1为蜂窝型单体结构尺寸图；

图2为蜂窝型结构区域中横向层状单体层结构尺寸图；

图3为蜂窝型结构区域中多层横向层状单体层层叠方式示意图；

图4为内折六边形单体结构尺寸图；

图5为内折六边形负泊松比结构区域中横向层状单体层结构尺寸图；

图6为内折六边形负泊松比结构区域中多层横向层状单体层层叠方式示意图；

图7为内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域层状复合方式结构示意图；

图8为平面0厚度型界面结合方式示意图；

图9为实施例1中50mm×50mm N4C4型单体截面示意图；

图10为实施例2中50mm×50mm N2C2型单体截面示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于负泊松比结构的复合吸能结构，所述复合吸能结构包括内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域层状复合而成，为一种三维结构。

所述复合吸能结构主要包含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区域、“负泊松比-蜂窝”复合结构界面区域以及复合方式。

所述复合吸能结构中，蜂窝型结构区域相对较柔，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。因此，所述复合吸能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。

参考图1-图3，所述蜂窝型单体结构尺寸如图1所示，蜂窝型结构区域中横向层状单体层结构尺寸如图2所示，蜂窝型结构区域中多层横向层状单体层层叠方式如图3所示。在其中一个实施方式中，所述蜂窝型结构区域由多层横向层状单体层层叠而成，其中，每一层的横向层状单体层由多个蜂窝型单体间隔连接组成，所述蜂窝型单体为六边形结构，由2条长度为a的底边和4条长度为b的侧壁构成，平行于底边的对角线长度为c，两条相邻侧壁夹角为α，横向层状单体层中相邻两个蜂窝型单体之间的连接线长度为a，与底边长度相等；相邻两层的横向层状单体层之间层叠的方式为底边与底边完全重合，即相邻两层的横向层状单体层之间层叠以后，在相邻两层的横向层状单体层之间还形成有新的横向层状单体层。而相邻两层的横向层状单体层之间形成的新的横向层状单体层以上下两层蜂窝型单体之间的连接线作为自己的底边，以上下两层中蜂窝型单体的侧壁作为自己的侧壁，上下两层蜂窝型单体相贴合的底边作为新形成的横向层状单体层中的蜂窝型单体之间的连接线。采用这种多层横向层状单体层层叠结构就可以根据需要迭出无数层蜂窝结构。

参考图1-图3，所述蜂窝型单体壁厚为t。这里a，b，c是指壁厚中位长度。具体而言，就是一条端边中线对另一条端边中线的距离，这是为了周期性叠加，由于形状存在壁厚，这里面为了扣除壁厚问题，所以a，b，c不是直接外框距离，而是壁厚中位长度，否则会少1个壁厚。

参考图4-图6，所述内折六边形单体结构尺寸如图4所示，内折六边形负泊松比结构区域中横向层状单体层结构尺寸如图5所示，内折六边形负泊松比结构区域中多层横向层状单体层层叠方式如图6所示。在其中一个实施方式中，所述内折六边形负泊松比结构区域由多层横向层状单体层层叠而成，其中，每一层的横向层状单体层由多个内折六边形单体间隔连接组成，所述内折六边形单体，由2条长度为c’的底边和4条长度为b’的侧壁构成，平行于底边的对角线长度为a’，两条相邻侧壁夹角为α’，横向层状单体层中相邻两个内折六边形单体之间的连接线长度为a’，与底边长度相等；相邻两层的横向层状单体层之间层叠的方式为底边与底边完全重合，即相邻两层的横向层状单体层之间层叠以后，在相邻两层的横向层状单体层之间还形成有新的横向层状单体层。而相邻两层的横向层状单体层之间形成的新的横向层状单体层以上下两层内折六边形单体之间的连接线作为自己的底边，以上下两层中内折六边形单体的侧壁作为自己的侧壁，上下两层内折六边形单体相贴合的底边作为新形成的横向层状单体层中的内折六边形单体之间的连接线。采用这种多层横向层状单体层层叠结构就可以根据需要迭出无数层内折六边形负泊松比结构区域。

参考图4-图6，所述内折六边形单体壁厚为t’，t＝t’，这里a’，b’，c’是指壁厚中位长度。具体而言，就是一条端边中线对另一条端边中线的距离，这是为了周期性叠加，由于形状存在壁厚，这里面为了扣除壁厚问题，所以a’，b’，c’不是直接外框距离，而是壁厚中位长度，否则会少1个壁厚。

参考图7，提供了一种“负泊松比-蜂窝型”复合吸能结构的复合方式，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域交替排列，内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域接触界面，所述内折六边形负泊松比结构区域的内折六边形单体与蜂窝型结构区域的蜂窝型单体相互插槽排列，即蜂窝型单体底边正对相邻两个内折六边形单体之间的槽中，同时，内折六边形单体的底边正对相邻两个蜂窝型单体之间的槽中。此种复合结构，所述蜂窝型单体与内折六边形单体的尺寸参数关系为：a＝a’，c＝c’和t＝t’。

此种复合结构中，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域交替排列时，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域均至少有1个，所述内折六边形负泊松比结构区域中至少有横向层状单体层两层，所述蜂窝型结构区域中至少有横向层状单体层两层，以发挥各自的效能。

参考图7，“负泊松比-蜂窝型”复合吸能结构的复合方式中，内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域以外的上下两层可以设置端板层。

参考图8，在一个实施方式中，还提供一种复合结构界面区域的特征为“平面0厚度”型的复合方式，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域交替排列，内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域接触界面，所述内折六边形负泊松比结构区域的内折六边形单体与蜂窝型结构区域的蜂窝型单体拼接时，蜂窝型单体底边正位于相邻两个内折六边形单体相邻两个底边之间，同时，内折六边形单体的底边正位于相邻两个蜂窝型单体相邻两个底边之间，使得界面区域的特征为“平面0厚度”型。此种复合结构，所述蜂窝型单体与内折六边形单体的尺寸参数关系为：a＝a’，c＝c’和t＝t’。蜂窝型单体层与内折六边形单体层恰好相接，没有产生任何错层，因而界面区域厚度为零。这种方式在结构过度上最佳，界面畸变最小，但是界面的加强效益也最弱。

所述复合吸能结构在三维拉伸后，能够形成多个封闭管道结构，这些管道结构可用来填充液体(例如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1

在参考图1-图8的基础上，配合参考图9，为50mm×50mm的方形复合吸能结构的截面，单层的厚度为6.25mm。a＝a’＝3.49mm，b＝b’＝3.46mm，c＝c’＝6.32mm，t约为0.6mm。复合方式：1组内折六边形负泊松比结构区域与1组蜂窝型结构区域，每组内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域都包含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“0厚度”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，且边框厚度为0.6mm。

实施例2

在参考图1-图8的基础上，配合参考图10，为50mm×50mm的方形复合吸能结构的截面，单层的厚度为6.25mm。a＝a’＝3.49mm，b＝b’＝3.46mm，c＝c’＝6.32mm，t约为0.6mm。复合方式：2组内折六边形负泊松比结构区域与2组蜂窝型结构区域交替设置，每组内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域都包含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“0厚度”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，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 (3)

1.一种基于负泊松比结构的复合吸能结构，其特征在于，所述复合吸能结构包括内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域，所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域层状复合而成，为一种三维结构；

所述蜂窝型结构区域由多层横向层状单体层层叠而成，其中，每一层的横向层状单体层由多个蜂窝型单体间隔连接组成，所述蜂窝型单体为六边形结构，由2条长度为a的底边和4条长度为b的侧壁构成，平行于底边的对角线长度为c，两条相邻侧壁夹角为α，横向层状单体层中相邻两个蜂窝型单体之间的连接线长度为a，与底边长度相等；

相邻两层的横向层状单体层之间层叠的方式为底边与底边完全重合，即相邻两层的横向层状单体层之间层叠以后，在相邻两层的横向层状单体层之间还形成有新的横向层状单体层；

所述蜂窝型单体壁厚为t，其中，a，b，c是指壁厚中位长度；

所述内折六边形负泊松比结构区域由多层横向层状单体层层叠而成，其中，

每一层的横向层状单体层由多个内折六边形单体间隔连接组成，所述内折六边形单体，由2条长度为c’的底边和4条长度为b’的侧壁构成，平行于底边的对角线长度为a’，两条相邻侧壁夹角为α’，横向层状单体层中相邻两个内折六边形单体之间的连接线长度为a’，与底边长度相等；

相邻两层的横向层状单体层之间层叠的方式为底边与底边完全重合，即相邻两层的横向层状单体层之间层叠以后，在相邻两层的横向层状单体层之间还形成有新的横向层状单体层；

所述内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域交替排列，内折六边形负泊松比结构区域与蜂窝型结构区域接触界面，所述内折六边形负泊松比结构区域的内折六边形单体与蜂窝型结构区域的蜂窝型单体拼接时，蜂窝型单体底边正位于相邻两个内折六边形单体相邻两个底边之间，同时，内折六边形单体的底边正位于相邻两个蜂窝型单体相邻两个底边之间，使得界面区域的特征为“平面0厚度”型，此种复合结构，所述蜂窝型单体与内折六边形单体的尺寸参数关系为：a＝a’，c＝c’和t＝t’。

2.根据权利要求1所述的一种基于负泊松比结构的复合吸能结构，其特征在于，所述内折六边形单体壁厚为t’，t＝t’，a’，b’，c’是指壁厚中位长度。

3.根据权利要求1所述的一种基于负泊松比结构的复合吸能结构，其特征在于，所述复合吸能结构在三维拉伸后，能够形成多个封闭管道结构。

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