CN113468665B - 一种具有负泊松比特性的三维抗冲击体及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有负泊松比特性的三维抗冲击体及其设计方法。本发明的三维抗冲击体，由若干胞体单元在三维空间内排列成径向含有直肋的多层圆环状结构，每个所述的胞体单元由一个含有圆环肋的双边内凹四边形结构和一个含有直肋的双边内凹四边形结构正交连接组成；所述含有圆环肋的双边内凹四边形结构由一对圆环肋和一对连接在所述圆环肋之间的环向内凹圆弧肋连接而成；所述含有直肋的双边内凹四边形结构由一对直肋和连接在所述直肋之间的径向内凹圆弧肋连接而成。本发明所获得的结构可用于受发射、变轨冲击的航天运载飞行器和空间有效载荷上，可大大提高抗冲击性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有负泊松比特性的三维抗冲击体及其设计方法，属于负泊松比材料科学技术领域。
背景技术
由于航空航天飞行器及空间有效载荷在运输、发射、多级仓箭分离、使用火箭助推器进行卫星变轨以及返回地球的着陆期间都会遇到严重的冲击。对于飞行器及有效载荷中设计不合理的系统，尤其是对性能要求特别高的光机系统，这些冲击会使光机系统中与光学对准相关的零部件出现暂时或永久性的损害。
目前的航空航天飞行器和空间有效载荷应对冲击时的方法为：在重要的零部件中使用隔离子系统，即设计抗冲击支架；尽可能增大承载的面积，使得单位面积上的受力尽可能降低，以保证零部件不被瞬间压溃；选择具有一定抗冲击特性的材料和改进、升级零部件的加工工艺，以提高抗冲击的能力；最大程度降低受冲击零部件的质量，并尽可能提高零部件的强度和刚度。但随着大吨位运载及深空探测技术的发展，航空航天飞行器和空间有效载荷面临着更加复杂的环境，现有的应对抗冲击的方法越来越显示出其局限性。
当航空航天飞行器和空间有效载荷在发射和变轨的过程中，重要部件受冲击出现不能均匀承受载荷而出现应力集中，往往会被瞬间压溃变形，这将对整个系统来说是灾难性的，也就无法完成系统对于深空探索任务。
随着负泊松比材料和结构技术的发展，尤其是具有负泊松比特性的三维抗冲击方法的出现和快速发展，通过光机系统的重要零部件与负泊松比结构的结合应用，使得大吨位航空航天飞行器和空间有效载荷在发射、变轨进行深空探索任务过程中，不会出现压溃且能够均匀承受冲击载荷而不出现应力集中，这将极大提高大吨位航空航天飞行器和空间有效载荷的抗冲击性能和推动深空探索的发展。
区别于具有正泊松比的普通材料，对于一个具有负泊松比特性的结构，当其轴向受压缩时，其径向发生收缩；当其轴向受拉伸时，其径向发生膨胀。正因具有负泊松比特性的结构区别于普通材料的特性，所以在复杂的工况下，具有负泊松比特性的结构表现出的冲击性能、抗断裂性能、剪切模量等都远远优于普通材料，使得具有负泊松比特性的结构展现出巨大而广泛的应用价值。
发明内容
为了解决现有大吨位航空航天飞行器和空间有效载荷在发射、变轨进行深空探索任务过程中，系统重要零部件受冲击出现压溃且不能均匀承受冲击载荷而出现应力集中等问题，本发明结合负泊松比材料和结构，而提出了一种具有负泊松比特性的三维抗冲击体及其设计方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种具有负泊松比特性的三维抗冲击体，由若干胞体单元在三维空间内排列成径向含有直肋的多层圆环状结构，每个所述的胞体单元由一个含有圆环肋的双边内凹四边形结构和一个含有直肋的双边内凹四边形结构正交连接组成；所述含有圆环肋的双边内凹四边形结构由一对圆环肋和一对连接在所述圆环肋之间的环向内凹圆弧肋连接而成；所述含有直肋的双边内凹四边形结构由一对直肋和连接在所述直肋之间的径向内凹圆弧肋连接而成；每层圆环状结构中多个含有圆环肋的双边内凹四边形结构的圆环肋在环向形成圆环，含有直肋的双边内凹四边形结构的直肋在径向与圆环正交连接。
所述的具有负泊松比特性的三维抗冲击体，每层圆环状结构中的单个胞体单元的两条圆环肋和两条直肋分别平行且尺寸相等，两圆环肋之间的距离与两直肋之间的距离相等。
所述的具有负泊松比特性的三维抗冲击体，单个胞体单元中的圆环肋、直肋径向圆弧肋、环向圆弧肋的宽度B相等且均是肋厚t的2倍。
所述的具有负泊松比特性的三维抗冲击体，多层圆环结构中相邻层之间的距离相等。
所述具有负泊松比特性的三维抗冲击体的设计方法，该方法为：
(1)设计多层圆环结构中由内向外的第一层圆环结构的参数：
令第一层圆环外径为：r1＝r，在第一层圆环结构中的单个胞体单元中的圆环肋(101)与直肋(102)的长度计算公式均为：L101＝L102＝πr/4，环向内凹圆弧肋(103)和径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度计算公式均为：L103＝L104＝π2r/12；圆环肋之间的距离与两直肋之间的距离且计算公式均为：C1＝D1＝πr/4；
(2)设计多层圆环结构中由内向外的第二层圆环结构的参数：
第二层圆环外径计算公式为：在第二层圆环结构中的单个胞体单元中圆环肋(201)的长度计算公式为：/>直肋(202)的长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的直肋(102)的长度；环向内凹圆弧肋(203)的圆弧长度计算公式为：/>径向内凹圆弧肋(204)的圆弧长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度；
(3)设计多层圆环结构中由内向外的第三层圆环结构的参数：
第三层圆环外径计算公式为：在第三层圆环结构中的单个胞体单元中双边内凹圆环肋(301)的长度计算公式为：/>直肋(302)的长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的直肋(102)的长度；环向内凹圆弧肋(303)的圆弧长度计算公式为：/>径向内凹圆弧肋(304)的圆弧长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度；
(4)设计多层圆环结构中由内向外的第n层圆环结构的参数：
第n层圆环外径计算公式为：在第n层圆环结构中的单个胞体单元中双边内凹圆环肋的长度计算公式为：/>直肋的长度仍同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的直肋(102)的长度；环向内凹圆弧肋的圆弧长度计算公式为：/>径向内凹圆弧肋长度仍同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明所述的方法，在三维空间内排列组成径向含有直肋的多层圆环状结构，具有负泊松比特性，且所述结构在轴向受压缩时，径向发生收缩；所述结构在轴向受拉伸时，径向发生膨胀；
(2)本发明所述的方法，在三维空间内排列组成径向含有直肋的多层圆环状结构，相邻圆环半径及相邻圆环中的双边内凹四边形尺寸存在函数关系，提高了所述结构在受冲击时的整体性能，且受力均匀；
(3)本发明所述的方法，在三维空间内排列组成径向含有直肋的多层圆环状结构，可作为缓冲件解决大吨位航空航天飞行器和空间有效载荷在发射、变轨进行深空探索任务过程中系统重要零部件受冲击出现压溃且承受冲击载荷而出现应力集中的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例在不受力状态下的轴侧示意图；
图2为本发明实施例在不受力状态下的半剖轴侧示意图；
图3为本发明实施例在不受力状态下的正视示意图；
图4为本发明实施例在不受力状态下的俯视示意图；
图5为本发明实施例在不受力状态下的单个胞体单元的轴侧示意图；
图6为本发明实施例在压缩状态下的正视示意图；
图7为本发明实施例在伸展状态下的正式示意图。
图中：r1-第一层圆环外径，r2-第二层圆环外径，r3-第三层圆环外径，rn-第n层圆环外径，101-第一层圆环中单个胞体单元的圆环肋，102-第一层圆环中单个胞体单元的直肋，103-第一层圆环中单个胞体单元的环向圆弧肋，104-第一层圆环中单个胞体单元的径向圆弧肋，201-第二层圆环中单个胞体单元的圆环肋，202-第二层圆环中单个胞体单元的直肋，203-第二层圆环中单个胞体单元的环向圆弧肋，204-第二层圆环中单个胞体单元的径向圆弧肋，301-第三层圆环中单个胞体单元的圆环肋，302-第三层圆环中单个胞体单元的直肋，303-第三层圆环中单个胞体单元的环向圆弧肋，304-第三层圆环中单个胞体单元的径向圆弧肋，n01-第n层圆环中单个胞体单元的圆环肋，n02-第n层圆环中单个胞体单元的直肋，n03-第n层圆环中单个胞体单元的环向圆弧肋，n04-第n层圆环中单个胞体单元的径向圆弧肋，b12-第一二层圆环之间的距离，b23-第二三层圆环之间的距离，C1-两圆环肋之间的距离，D1-两直肋之间的距离，B-肋宽度，t-肋厚度。
具体实施方式
为了进一步地使本发明所实现的技术手段和实现功能易于理解，下面将结合附图对本发明进行详细说明，但不用来限制本发明的保护范围。
如图1-5所示，本发明提供了一种具有负泊松比特性的三维抗冲击体，由若干胞体单元在三维空间内排列成径向含有直肋的多层圆环状结构，每个所述的胞体单元由一个含有圆环肋的双边内凹四边形结构和一个含有直肋的双边内凹四边形结构正交连接组成；所述含有圆环肋的双边内凹四边形结构由一对圆环肋和一对连接在所述圆环肋之间的环向内凹圆弧肋连接而成；所述含有直肋的双边内凹四边形结构由一对直肋和连接在所述直肋之间的径向内凹圆弧肋连接而成；每层圆环状结构中多个含有圆环肋的双边内凹四边形结构的圆环肋在环向形成圆环，含有直肋的双边内凹四边形结构的直肋在径向与圆环正交连接。
所述的具有负泊松比特性的三维抗冲击体，每层圆环状结构中的单个胞体单元的两条圆环肋和两条直肋分别平行且尺寸相等，两圆环肋之间的距离与两直肋之间的距离相等。
所述的具有负泊松比特性的三维抗冲击体，单个胞体单元中的圆环肋、直肋径向圆弧肋、环向圆弧肋的宽度B相等且均是肋厚t的2倍。
所述的具有负泊松比特性的三维抗冲击体，多层圆环结构中相邻层之间的距离相等。
本实施例中所述具有负泊松比特性的三维抗冲击体的设计方法，该方法为：
(1)设计多层圆环结构中由内向外的第一层圆环结构的参数：
令第一层圆环外径为：r1＝r，在第一层圆环结构中的单个胞体单元中的圆环肋(101)与直肋(102)的长度计算公式均为：L101＝L102＝πr/4，环向内凹圆弧肋(103)和径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度计算公式均为：L103＝L104＝π2r/12；圆环肋之间的距离与两直肋之间的距离且计算公式均为：C1＝D1＝πr/4；本实施例中：第一层圆环外径r1为16mm，第一层圆环中单个胞体单元的圆环肋101长度为12mm，第一层圆环中单个胞体单元的直肋102长度为12mm，第一层圆环中单个胞体单元的环向圆弧肋103长度为13.14mm，第一层圆环中单个胞体单元的两圆环肋之间的距离C1为12mm，第一层圆环中单个胞体单元的径向圆弧肋104长度为13.14mm，第一层圆环中单个胞体单元的两直肋之间的距离为D1为12mm。
(2)设计多层圆环结构中由内向外的第二层圆环结构的参数：
第二层圆环外径计算公式为：在第二层圆环结构中的单个胞体单元中圆环肋(201)的长度计算公式为：/>直肋(202)的长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的直肋(102)的长度；环向内凹圆弧肋(203)的圆弧长度计算公式为：/>径向内凹圆弧肋(204)的圆弧长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度；本实施例中，第二层圆环外径r2为26.39mm，第二层圆环中单个胞体单元的圆环肋201长度为19.80mm，第二层圆环中单个胞体单元的直肋202长度为12mm，第二层圆环中单个胞体单元的环向圆弧肋203长度为12.98mm，第二层圆环中单个胞体单元的径向圆弧肋204长度为13.14mm，第一二层圆环之间的距离b12为10.39mm。
(3)设计多层圆环结构中由内向外的第三层圆环结构的参数：
第三层圆环外径计算公式为：在第三层圆环结构中的单个胞体单元中双边内凹圆环肋(301)的长度计算公式为：/>直肋(302)的长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的直肋(102)的长度；环向内凹圆弧肋(303)的圆弧长度计算公式为：/>径向内凹圆弧肋(304)的圆弧长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度；本实施例中第三层圆环外径r3为36.78mm，第三层圆环中单个胞体单元的圆环肋301长度为27.58mm，第三层圆环中单个胞体单元的直肋302长度为12mm，第三层圆环中单个胞体单元的环向圆弧肋303长度为12.99mm，第三层圆环中单个胞体单元的径向圆弧肋304长度为13.14mm，第二三层圆环之间的距离b23为10.39mm；所述单个胞体单元的圆环肋、直肋及圆弧肋的宽度B为1mm，肋厚度t为0.5mm。
(4)设计多层圆环结构中由内向外的第n层圆环结构的参数：
第n层圆环外径计算公式为：在第n层圆环结构中的单个胞体单元中双边内凹圆环肋的长度计算公式为：/>直肋的长度仍同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的直肋(102)的长度；环向内凹圆弧肋的圆弧长度计算公式为：/>径向内凹圆弧肋长度仍同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度。本实施例中以三层圆环结构为例进行说明，第n层圆环结构的参数按所述公式设计即可。
如图6-7所示，为了验证所述方法所得结构的负泊松比特性以及抗冲击能力，利用ANSYS有限元分析对其进行力学分析。首先，将几何模型导入有限元分析软件中，运用独立分片算法对模型进行网格划分，通过离散逼近的方式得到了有限元分析模型，此时的模型是由有限个四节点四面体单元组成；进一步的，求解四节点四面体单元的单元刚度矩阵，并以单元节点位移作为基本变量；进一步的，将单元刚度矩阵组合成整体刚度矩阵，同时施加力边界条件；进一步的，为了方便施加力边界条件，特意在所述结构两端各添加一个盖板，同时在上下盖板轴向分别施加大小相等方向相对和相反的冲击载荷，当轴向施加大小相等方向相对的冲击载荷时，所述结构在径向收缩，当轴向施加大小相等方向相反的冲击载荷时，所述结构在径向伸展，冲击载荷大小为5000N；进一步的，求解出有限元模型的节点位移，其中径向收缩及伸展的节点位移最大值均为0.118mm，径向收缩及伸展的节点应变最大值均为0.007mm，径向收缩及伸展的节点应力最大值均为1414.2MPa。
由有限元分析结果可知，本实施例说明了通过本发明将多个胞体单元在三维空间排列的方法所得到的结构，具有负泊松比特性，通过有限元分析验证了负泊松比特性，并在承受5000N的较大冲击载荷后节点位移值较小，具有很强的抗冲击能力，同时根据变形情况发现，所述结构能够均匀承受冲击载荷，并未出现应力集中，否则将会出现压溃的情况。本发明所获得的结构可用于受发射冲击的航天运载飞行器和空间有效载荷上，可大大提高抗冲击性能。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、主要特征、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在不脱离本发明精神和范围的前提下，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应落入要求保护的本发明范围内。
Claims (4)
1.一种具有负泊松比特性的三维抗冲击体，其特征在于，由若干胞体单元在三维空间内排列成径向含有直肋的多层圆环状结构，每个所述的胞体单元由一个含有圆环肋的双边内凹四边形结构和一个含有直肋的双边内凹四边形结构正交连接组成；所述含有圆环肋的双边内凹四边形结构由一对圆环肋和一对连接在所述圆环肋之间的环向内凹圆弧肋连接而成；所述含有直肋的双边内凹四边形结构由一对直肋和连接在所述直肋之间的径向内凹圆弧肋连接而成；每层圆环状结构中多个含有圆环肋的双边内凹四边形结构的圆环肋在环向形成圆环，含有直肋的双边内凹四边形结构的直肋在径向与圆环正交连接，每层圆环状结构中的单个胞体单元的两条圆环肋和两条直肋分别平行且尺寸相等，两圆环肋之间的距离与两直肋之间的距离相等。
2.根据权利要求1所述的具有负泊松比特性的三维抗冲击体，其特征在于，单个胞体单元中的圆环肋、直肋径向圆弧肋、环向圆弧肋的宽度B相等且均是肋厚t的2倍。
3.根据权利要求1所述的具有负泊松比特性的三维抗冲击体，其特征在于，多层圆环结构中相邻层之间的距离相等。
4.一种权利要求1-3之一所述具有负泊松比特性的三维抗冲击体的设计方法，其特征在于，该方法为：
(1)设计多层圆环结构中由内向外的第一层圆环结构的参数：
令第一层圆环外径为：r1＝r，在第一层圆环结构中的单个胞体单元中的圆环肋(101)与直肋(102)的长度计算公式均为：L101＝L102＝πr/4，环向内凹圆弧肋(103)和径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度计算公式均为：L103＝L104＝π2r/12；圆环肋之间的距离与两直肋之间的距离且计算公式均为：C1＝D1＝πr/4；
(2)设计多层圆环结构中由内向外的第二层圆环结构的参数：
第二层圆环外径计算公式为：在第二层圆环结构中的单个胞体单元中圆环肋(201)的长度计算公式为：/>直肋(202)的长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的直肋(102)的长度；环向内凹圆弧肋(203)的圆弧长度计算公式为：/>径向内凹圆弧肋(204)的圆弧长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度；
(3)设计多层圆环结构中由内向外的第三层圆环结构的参数：
第三层圆环外径计算公式为：在第三层圆环结构中的单个胞体单元中双边内凹圆环肋(301)的长度计算公式为：/>直肋(302)的长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的直肋(102)的长度；环向内凹圆弧肋(303)的圆弧长度计算公式为：/>径向内凹圆弧肋(304)的圆弧长度同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度；
(4)设计多层圆环结构中由内向外的第n层圆环结构的参数：
第n层圆环外径计算公式为：在第n层圆环结构中的单个胞体单元中双边内凹圆环肋的长度计算公式为：/>直肋的长度仍同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的直肋(102)的长度；环向内凹圆弧肋的圆弧长度计算公式为：/>径向内凹圆弧肋长度仍同第一层圆环结构中的单个胞体单元中的径向内凹圆弧肋(104)的圆弧长度。
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2021
- 2021-07-02 CN CN202110753608.1A patent/CN113468665B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Also Published As
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