CN113153946A - 一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构 - Google Patents
一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113153946A CN113153946A CN202110202706.6A CN202110202706A CN113153946A CN 113153946 A CN113153946 A CN 113153946A CN 202110202706 A CN202110202706 A CN 202110202706A CN 113153946 A CN113153946 A CN 113153946A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hollow
- unit cells
- branches
- horizontal
- unit cell
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000013016 damping Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 title claims abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 8
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 6
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 abstract description 42
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 12
- 241000264877 Hippospongia communis Species 0.000 abstract description 6
- 210000005056 cell body Anatomy 0.000 abstract description 2
- 239000000178 monomer Substances 0.000 abstract 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
- B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
- B60R19/18—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by the cross-section; Means within the bumper to absorb impact
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
- B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
- B60R19/18—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by the cross-section; Means within the bumper to absorb impact
- B60R2019/1806—Structural beams therefor, e.g. shock-absorbing
- B60R2019/1833—Structural beams therefor, e.g. shock-absorbing made of plastic material
- B60R2019/1846—Structural beams therefor, e.g. shock-absorbing made of plastic material comprising a cellular structure
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Vibration Dampers (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Soundproofing, Sound Blocking, And Sound Damping (AREA)
Abstract
本发明公开了一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，属于超材料领域，该结构包括多个单胞，所述的单胞为一体成型结构，该单胞包括由沿三个方向伸展并且内部中空的内凹多边形单胞交叉堆叠形成，所述单胞包括沿三个方向延展且在中心相连的分支，所述分支单独看是由半个内凹蜂窝，在末端使用厚度较薄的圆弧代替单纯的垂直杆连接上下两个水平的短横杆，短横杆通过斜杆分别于其他分支相交于胞体的中心。本发明的整体结构通过重复阵列堆叠单体单胞获得最终的空间立体结构，三个方向的延伸使结构更具有灵活性，适合作为填充和夹芯材料。
Description
技术领域
本发明涉及超材料领域，具体涉及一种具有负泊松比效应的缓冲吸能减振结构。
背景技术
超材料（Metamaterial）指的是一类具有特殊性质的人造材料，这些材料是自然界没有的。它们拥有一些特别的性质，包括在力学、光学、声学等各个领域，而这样的效果是传统材料无法实现的。超材料的奇特性质实质上并不源自于其所使用的材料本身的特殊性，而是由于对结构进行尺寸形状上的精密设计带来的。
泊松比效应是比较常见的一种超材料属性，在这类超材料中，会出现普通材料所不具备的拉伸膨胀压缩内缩的情况。
由于其特殊的性质，在受到碰撞或压缩时，会出现与传统材料结构外扩变松散不一样的向内向上收紧的情况，从而使结构本身的力学性质发生改变，所以多被考虑作为缓冲填充物、吸能盒、减震降噪材料等，在包括航空航天、汽车甚至运动装备等多领域被看好。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题公开了一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，该结构在各个方向上都具有明显负泊松比效应且兼具缓冲吸能、减振抑振的立体结构，比传统仅延两个方向铺设的结构更加灵活，也具有更好的稳定性。
本发明是这样实现的：
一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，其特征在于，所述的结构包括多个单胞，所述的单胞为一体成型结构，该一体成型结构包括三个形状相同的中空分支，三个中空分支之间间隔一定角度；所述的中空分支形状为内凹蜂窝半边，中空分支包括上下设置的水平杆，上下设置的水平杆末端为圆弧，圆弧边上下与水平杆连接；水平杆另一端由两个与之呈相同向心角度的同平面内斜杆连接，所述斜杆末端过渡至与水平短杆连接交汇于中点，所述的水平短杆内侧再与厚短杆连接，单胞三个中空分支分叉相交于中点，且由三根相同的厚短杆互相连接，在中部形成集中质量块。根据实际需求通过计算可以改变单胞的尺寸，整个单胞的水平杆、水平短杆以及斜杆厚度一致，除非特殊规定厚度一致。该单胞由沿三个方向伸展并且内部中空的内凹多边形单胞交叉堆叠形成，所述单胞包括沿三个方向延展且在中心相连的分支，所述分支单独看是由半个内凹蜂窝，在末端使用厚度较薄的圆弧代替单纯的垂直杆连接上下两个水平的短横杆，短横杆通过斜杆分别于其他分支相交于胞体的中心。
进一步，所述的水平杆的厚度最厚，所述的圆弧厚度最薄，所述的圆弧为吸能圈。
进一步，所述的水平段杆的末端为等腰三角形。
进一步，所述的负泊松比结构由3D打印一体加工成型。
进一步，所述的三个中空分支之间间隔一定角度，该角度相等或者不相等；当三个中空分支之间间隔角度相等时，即单胞中空分支之间间隔120度，整体单胞为旋转对称图形。
进一步，所述的多个单胞阵列交叉堆叠形成三维的结构，该结构在空间垂直上采用交叉堆叠，在水平方向则沿分叉末梢面法向水平延展，单层排布，是一个蜂窝网状的结构；所述的交叉堆叠是在空间垂直方向上的堆叠的方式，将一个单胞凹陷部位几何中心点作为另一个单胞一个分支末梢的落点，梢尖点与几何中心点重合。
进一步，所述的空间垂直方向单元之间是由末梢带有圆弧吸能圈的垂直杆连接下一个单元完全中空且中心凹陷的单元，实现负泊松比效应；所述的水平延展是在单层铺设时，一个中空分支对应两个方向的延展方向，中空分支末端是等腰三角形，故两柱面向外有两个面法线方向。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
1.本发明是通过单胞重复平移旋转堆叠得到，形状灵活多变，单元的尺寸可以根据计算改变；
2.本发明通过引入更加容易形变的薄圆环边，使结构在受力后更加容易在这些部位发生变形，提高了结构的吸能性能；
3.本发明通过加厚单胞中间部位，形成局部的集中质量块，可以形成局部的振动耗能区，达到减振的效果。
附图说明
图1是本发明实施例的单胞细观示意图；
图2是本发明单胞单个分支形状示意图；
图3是本发明单胞垂直方向堆叠示意图；
图4是本发明单胞平面内排布示意图；
图5是本单胞发明宏观结构俯视示意图；
其中，1-水平杆，2-圆弧，3-斜杆，4-水平短杆，5-厚短杆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是单胞细观结构的示意图，由三个形状相同内凹中空多边形分支绕中心点旋转得到角度为120度的旋转对称图形，该单胞为一体成型结构，由3D打印一体加工成型。
图2是单胞中空分支的平面形状示意图，由一个圆弧2连接两根等长平行水平杆1，所述水平杆1后端连接两根与它们角度相同的向心斜杆3，所述斜杆3后端过渡到厚度较厚的短杆，三根相同的厚短杆5互相连接，在中部形成集中质量块。整个分支前端和后端需要与其他单元相连接的部位均采用的内最大角120度等腰三角形柱面面相连；
图3是本发明单胞垂直方向上堆叠示意图；图4是本发明单胞平面内排布示意图；图5为一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比宏观结构俯视图，由多个单胞交叉堆叠形成，该单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构由多个相同的单胞构成，包括三个形状相同的中空分支，所述分支为半边内凹蜂窝将垂直壁变为弧形薄壁，受到压缩时容易产生变形，吸收更多的能量。
单胞为整体中空的可以直观地看出，上层受到压力时会挤压中间的环装使其压缩，同时将力传至下层，下层与之连接的是单胞的中空部位，压力使中间内凹部位下沉并将斜杆3拉直进而产生负泊松比效应。单层排布，是一个蜂窝网状的结构，层间是交叉堆叠排布的，由于垂直方向存在若干层中空，传力路径较长，增强了结构的缓冲性能；交叉堆叠，是在空间垂直方向上的堆叠的方式，不采用一一对应向上堆叠的方式，而是将一个单胞凹陷部位几何中心点作为另一个单胞一个分支末梢的落点，梢尖点与几何中心点重合；水平延展，是在单层铺设时，一个分支对应两个方向的延展方向，因为分支末端是等腰三角形，两柱面向外有两个面法线方向；由于交叉堆叠的方式，存在单元中部集中质量区域无垂直方向直接约束，仅仅连接于三个分支的斜杆3上，振动时可以局部产生振动消耗振源产生的能量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，其特征在于，所述的结构包括多个单胞，所述的单胞为一体成型结构，该一体成型结构包括三个形状相同的中空分支，三个中空分支之间间隔一定角度；所述的中空分支形状为内凹蜂窝半边，中空分支包括上下设置的水平杆（1），上下设置的水平杆（1）末端为圆弧（2），圆弧（2）边上下与水平杆（1）连接；水平杆（1）另一端由两个与之呈相同向心角度的同平面内斜杆（3）连接，所述斜杆（3）末端过渡至与水平短杆（4）连接交汇于中点，所述的水平短杆（4）内侧再与厚短杆（5）连接，单胞三个中空分支分叉相交于中点，且由三根相同的厚短杆（5）互相连接，在中部形成集中质量块。
2.根据权利要求1所述的一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，其特征在于，所述的水平杆（1）的厚度最厚，所述的圆弧（2）厚度最薄，所述的圆弧（2）为吸能圈。
3.根据权利要求1所述的一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振 负泊松比结构，其特征在于，所述的水平段杆的末端为等腰三角形。
4.根据权利要求1所述的一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，其特征在于，所述的负泊松比结构由3D打印一体加工成型。
5.根据权利要求1所述的一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，其特征在于，所述的三个中空分支之间间隔一定角度，该角度相等或者不相等；当三个中空分支之间间隔角度相等时，即单胞中空分支之间间隔120度，整体单胞为旋转对称图形。
6.根据权利要求1所述的一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，其特征在于，所述的多个单胞阵列交叉堆叠形成三维的结构，该结构在空间垂直上采用交叉堆叠，在水平方向则沿分叉末梢面法向水平延展，单层排布，是一个蜂窝网状的结构；所述的交叉堆叠是在空间垂直方向上的堆叠的方式，将一个单胞凹陷部位几何中心点作为另一个单胞一个分支末梢的落点，梢尖点与几何中心点重合。
7.根据权利要求6所述的一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构，其特征在于，所述的空间垂直方向单元之间是由末梢带有圆弧（2）吸能圈的垂直杆连接下一个单元完全中空且中心凹陷的单元，实现负泊松比效应；所述的水平延展是在单层铺设时，一个中空分支对应两个方向的延展方向，中空分支末端是等腰三角形，故两柱面向外有两个面法线方向。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110202706.6A CN113153946A (zh) | 2021-02-23 | 2021-02-23 | 一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110202706.6A CN113153946A (zh) | 2021-02-23 | 2021-02-23 | 一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113153946A true CN113153946A (zh) | 2021-07-23 |
Family
ID=76883598
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110202706.6A Pending CN113153946A (zh) | 2021-02-23 | 2021-02-23 | 一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113153946A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113757281A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-12-07 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于多稳态的吸能单元体以及吸能材料 |
| CN114658782A (zh) * | 2022-03-24 | 2022-06-24 | 大连理工大学 | 一种性能增强的双向缓冲吸能超材料 |
| CN115263958A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-11-01 | 中国电子科技集团公司第十研究所 | 一种兼顾传热与吸能减振特性的点阵结构 |
-
2021
- 2021-02-23 CN CN202110202706.6A patent/CN113153946A/zh active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113757281A (zh) * | 2021-09-07 | 2021-12-07 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于多稳态的吸能单元体以及吸能材料 |
| CN113757281B (zh) * | 2021-09-07 | 2023-01-10 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种基于多稳态的吸能单元体以及吸能材料 |
| CN114658782A (zh) * | 2022-03-24 | 2022-06-24 | 大连理工大学 | 一种性能增强的双向缓冲吸能超材料 |
| CN114658782B (zh) * | 2022-03-24 | 2023-02-10 | 大连理工大学 | 一种性能增强的双向缓冲吸能超材料 |
| CN115263958A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-11-01 | 中国电子科技集团公司第十研究所 | 一种兼顾传热与吸能减振特性的点阵结构 |
| CN115263958B (zh) * | 2022-06-24 | 2024-05-07 | 中国电子科技集团公司第十研究所 | 一种兼顾传热与吸能减振特性的点阵结构 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113153946A (zh) | 一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构 | |
| CN109854659B (zh) | 一种兼具内凹和手性负泊松比效应的缓冲抑振结构 | |
| CN111746443A (zh) | 一种新型三维手性负泊松比多胞吸能结构 | |
| CN108082102B (zh) | 基于内凹六边形单元的负泊松比结构部件 | |
| CN105799231B (zh) | 相向半球壳体柱胞结构的夹芯复合材料 | |
| WO2021120568A1 (zh) | 具有三维特性的负泊松比结构及其组合方法 | |
| CN110645298B (zh) | 一种具有双重保护的双平台填充结构 | |
| KR102131839B1 (ko) | 음의 푸아송비를 갖는 3차원 구조체를 적용한 방탄복 | |
| CN110939853B (zh) | 一种高效柔性二维平面点阵结构 | |
| CN214838069U (zh) | 一种单胞交叉堆叠形成的缓冲吸能减振负泊松比结构 | |
| CN114741811A (zh) | 一种变刚度三维内凹负泊松比胞元及其设计方法 | |
| CN109058752A (zh) | 一种几何渐变结构 | |
| CN106954910A (zh) | 三维立体锥型网状体的球形展开结构及其制造方法 | |
| CN113525273B (zh) | 一种具有负泊松比特性的三维结构及其组合方法 | |
| CN114738409B (zh) | 仿生二维、三维、立体缓冲吸能结构及缓冲吸能器及方法 | |
| CN113669401B (zh) | 一种具有回转特性的负泊松比单胞结构和蜂窝结构 | |
| CN113958637B (zh) | 一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构 | |
| CN114838072A (zh) | 引入平方函数曲边的负泊松比蜂窝胞元及多胞结构 | |
| CN112658256B (zh) | 三维增强型星型结构 | |
| CN112861270A (zh) | 一种基于布尔运算的超材料吸能结构 | |
| CN110758298B (zh) | 一种折纸三重吸能结构的实现方法及结构 | |
| CN113829676A (zh) | 用于动态载荷防护的模块化折叠夹层结构单元及夹层结构 | |
| CN113757281A (zh) | 一种基于多稳态的吸能单元体以及吸能材料 | |
| CN114962508B (zh) | 一种具有负泊松比的减震板杆结构 | |
| CN117681504A (zh) | 一种基于仿生结构的抗爆吸能器 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |