CN113028267A - 一种超大变形的手性压扭结构 - Google Patents

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徐凡
张晓亮
杨易凡
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Fudan University
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Fudan University
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16S—CONSTRUCTIONAL ELEMENTS IN GENERAL; STRUCTURES BUILT-UP FROM SUCH ELEMENTS, IN GENERAL
    • F16S5/00—Other constructional members not restricted to an application fully provided for in a single class
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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Abstract

本发明属于超材料技术领域，具体为一种超大变形的手性压扭超结构。本发明手性压扭超结构由若干胞元堆叠而成；每个胞元是由六个相同结构的面内梁组合形成的空间立方体；每个面内梁是由四根直梁、四根弯梁组合而成的四角为弧形过渡的镂空正方形；其中，四根弯梁的一端固定于一中心圆孔处、且梁体相外等间距仿射布置、梁的弯曲方向一致，四根弯梁的另一端位于一正方形端点处；四根直梁的一端分别与四根弯梁的外端部连接，另一端分别与四根弯梁的弧形相切连接，使正方形的四个角为弧形。本发明结构受压能产生大幅度、稳定的扭转变形，且扭转方向可通过手性方向调整。可用建筑设计、机械结构等行业。

Description

一种超大变形的手性压扭结构
技术领域
本发明属于超材料技术领域，具体涉及一种手性压扭结构。
背景技术
机械超材料（超结构）是指通过人为设计制造材料的周期性空间结构，使其具有超常的力学特性，例如受压扭转、负泊松比和零膨胀等特殊的力学性能。这种特性不仅取决于材料本身的性质，更主要依赖于人工设计的周期性微结构。超材料的出现使得人类能够设计和制造更加符合工业需求的材料。
本发明提出一种轴向受压后产生超大扭转变形的力学超结构。
发明内容
本发明的目的在于提出一种轴向受压后产生稳定、超大扭转变形的手性压扭结构。
本发明提出的手性压扭超结构，在受压时会发生稳定且显著的扭转变形。由若干胞元堆叠而成；每个胞元是由六个相同结构的面内梁组合成的空间立方体，如图3所示；每个面内梁是由四根直梁、四根弯梁组合而成的四角为弧形过渡的搂空正方形，四根弯梁的一端固定于一中心圆孔处、且梁体相外等间距仿射布置、梁的弯曲方向一致，四根弯梁的一端位于一正方形端点处；四根直梁的一端分别与四根弯梁的外端连接，另一端分别与四根弯梁的弧形相切连接，使正方形的四个角为弧形，面内梁结构如图1所示。
制备方式可以采用3D打印增材制造的方式，也可采用铸造、焊接和切削等方式实现。
制备材料要求有较好的弹性和韧性，比如TPU。
例如，采用3D打印增材制造的方式将图纸打印，采用水溶性支撑。打印完成后浸入水中，去除支撑材料后晾干，施加压力即可实现轴向受压扭转。
本发明的优势如下：
1、本发明的结构，受压能产生大幅度、稳定的扭转现象，且扭转方向可通过手性方向调整；
2、扭转角度灵活可控，如通过增减层数即可快速准确调控；
3、调整最大压扭角度手段丰富，如可从梁粗细和横向堆叠个数来调控。
相比现存的压扭超结构，本发明提出的手性压扭结构能够产生更大幅度的稳定扭转变形，可适用于更加广泛的工业应用场景，例如：建筑设计、机械结构等行业。
附图说明
图1为面内结构示意图。
图2为面内结构三视图。
图3为胞元结构示意图。
图4为胞元三视图。
图5为1×1×2堆叠示意图。
图6为1×1×2堆叠三视图。
图7为4×4×8堆叠示意图。
图8为4×4×8堆叠三视图。
图9为实施例1 中1×1×2堆叠受压初始示意图。
图10为实施例1中1×1×2堆叠受压扭转示意图。
图11为实施例2中4×4×8堆叠受压初始斜视图。
图12为实施例2中4×4×8堆叠受压扭转斜视图。
图13为实施例2中4×4×8堆叠受压初始前视图。
图14为实施例2中4×4×8堆叠受压扭转前视图。
图15为实施例2中4×4×8堆叠受压初始俯视图。
图16为实施例2中4×4×8堆叠受压扭转俯视图。
图17为实施例2中4×4×8堆叠扭转角度示意图。
具体实施方式
实施例1：
使用3D打印机打印，所用材料为TPU95A，所用水溶性支撑材料为PVA。
实施例1面内结构如图2所示，其主要结构由四根直梁、四根弯梁组成。面内梁结构如图1所示，四根弯梁的梁宽为2mm，厚为2mm，一端位于中心直径为2mm的圆孔处，另一端位于一边长36mm的正方形端点处，四根直梁一端位于正方形端点处，另一端与弯梁相切，弯梁弧形半径约为11.7mm。
实施例1中胞元如图3所示，胞元是由6个结构相同的面内梁结构组成空间立方体。
将2个胞元上下堆叠，如图5所示。
采用3D打印增材制造的方式打印，将打印件置于水中浸泡，待清水变浑浊更换清水直至PVA支撑完全消失，晾干。
该压扭超结构在受压后发生明显扭转，如图9、图10所示。
实施例2：
实施例2，与实施例1面内结构如图2所示，其主要结构由四根直梁、四根弯梁组成。面内梁结构如图1所示，四根弯梁宽为1mm，厚为1mm，分别一端位于中心直径为1mm的圆孔处，另一端位于一边长18mm的正方形端点处，四根直梁一端位于正方形端点处，另一端与弯梁相切，弯梁半径约为5.9mm。
实施例2制造方式与实施例1相同，故不再赘述。
实施例2中，胞元按4×4×8堆叠，如图8所示，此堆叠是由128个胞元排列成4行、4列、8层的结构。
该4×4×8堆叠的压扭超结构在受压后发生明显扭转，如图11、图12、图13、图14、图15、图16和图17所示。
由图13、图14可测的下压距离约为5.18mm，应变为3.59%，由图17可量得扭转角度约为28°，弧度为0.49，计算得角度与应变比值为7.80°/%，弧度比值为0.136/%。
注：本结构是无量纲的，可适用于任意尺度。

Claims (3)

1.一种超大变形的手性压扭超结构，其特征在于，由若干胞元堆叠而成；每个胞元是由六个相同结构的面内梁组合形成的空间立方体；每个面内梁是由四根直梁、四根弯梁组合而成的四角为弧形过渡的镂空正方形；其中，四根弯梁的一端固定于一中心圆孔处、且梁体相外等间距仿射布置、梁的弯曲方向一致，四根弯梁的另一端位于一正方形端点处；四根直梁的一端分别与四根弯梁的外端部连接，另一端分别与四根弯梁的弧形相切连接，使正方形的四个角为弧形。
2.如权利要求1所述的超大变形的手性压扭超结构的制备方法，其特征在于，采用3D打印增材制造的方式，或者采用铸造、焊接和切削方式。
3.根据权利要求12所述的超大变形的手性压扭超结构的制备方法，其特征在于，采用3D打印增材制造方式时，采用水溶性支撑；打印完成后浸入水中，去除支撑材料后晾干。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114888302A (zh) * 2022-04-26 2022-08-12 南京航空航天大学 压致扭转仿石墨烯点阵结构及其3d打印方法
CN115405644A (zh) * 2022-08-24 2022-11-29 广州大学 一种基于极小曲面的负泊松比结构及其设计方法

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