CN113525273A - 一种具有负泊松比特性的三维结构及其组合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有负泊松比特性的三维结构，包括多个三维结构单元，三维结构单元包括四手性结构单元和两个扭转结构单元；扭转结构单元包括上横杆、下横杆、上斜杆、下斜杆，上横杆与上斜杆连接，下横杆与下斜杆连接，上斜杆与下斜杆连接，上斜杆与下斜杆的水平投影重合，上横杆与上斜杆的水平投影形成一个夹角φ；两个扭转结构单元相互垂直；四手性结构单元包括圆环、连接杆；连接杆的一端与圆环相切，连接杆的另一端与上斜杆和下斜杆的连接点连接。本发明还涉及一种具有负泊松比特性的三维结构的组合方法。本发明结构稳定、可实现多个方向负泊松比特性，属于汽车安全设备领域。

Description

一种具有负泊松比特性的三维结构及其组合方法
技术领域
本发明涉及汽车安全设备领域，具体涉及一种具有负泊松比特性的三维结构及其组合方法。
背景技术
这些年来，许多具有负泊松比特性的结构被研发出来，例如：星型负泊松比结构，箭型负泊松比结构，领结型泊松比结构以及手性结构。负泊松比材料由于有着不同于普通材料的独特性质，材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性都有着明显的提高。负泊松比材料的应用涉及多个领域，负泊松比材料用于制造夹芯板时，由于受弯时是向外膨胀从而吸收更多的能量，使夹芯板安全性能大大提高；负泊松比泡沫具有特殊的弹性和对声音的吸收能力，可以用于制造隔音材料；穿戴设备类肤部件采用负泊松比材料，可使得增强包裹性的同时提高舒适性；目前，负泊松比结构可以从自然界中直接获取或者通过人工合成得到。但是，由于受到制造、合成技术的制约，目前常见的负泊松比结构种类还很有限(特别是三维负泊松比结构)，对于负泊松比结构在实际工程中的应用也还不是很广泛。。
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。负泊松比效应，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时，材料在弹性范围内横向发生收缩的现象。负泊松比材料相比传统的正泊松比材料(自然界里常见的)而言，由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高，如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性。
研究表明汽车安全设备领域的前端吸能盒、A柱、B柱、C柱等部位通过塑性变形可以消耗大部分的车辆碰撞时产生的动能，从而有效的保护了乘员和货物的安全，能够有效降低交通事故中的人员伤亡和财产损失。传统的汽车吸能盒结构仍然是薄壁方管和薄壁圆管﹐薄壁管只能实现一个方向的吸能，吸能效果较差，在承受冲击过程中轴向稳定性较差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种结构稳定、可实现多个方向负泊松比特性的具有负泊松比特性的三维结构及其组合方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有负泊松比特性的三维结构，包括多个三维结构单元，三维结构单元包括一个水平设置的四手性结构单元和两个大小和结构均相同的扭转结构单元；扭转结构单元包括上横杆、下横杆、两根上斜杆、两根下斜杆，上横杆和下横杆水平设置，上横杆和下横杆的水平投影相互重合，上横杆的两端分别与两根上斜杆的一端连接，下横杆的两端分别与两根下斜杆的一端连接，两根上斜杆的另一端分别与两根下斜杆的另一端连接，两根上斜杆分别与两根下斜杆的水平投影相互重合，上横杆与上斜杆的水平投影形成一个夹角φ，两根上斜杆的水平投影相互平行；上横杆和下横杆的中点连线为转动线，两个扭转结构单元重合放置，其中一个扭转结构单元以另一个扭转结构单元的转动线为旋转轴旋转90度；四手性结构单元包括圆环、四根连接杆；四根连接杆沿圆环的外侧周向均匀分布，连接杆的一端与圆环相切，连接杆的另一端与上斜杆和下斜杆的连接点连接。
作为一种优选，夹角φ为0°＜φ≤45°。
作为一种优选，扭转结构单元还包括连接块，上斜杆和下斜杆通过连接块连接，连接块为立方体结构，上斜杆与连接块的顶端连接，下斜杆与连接块的底端连接，连接杆与连接块的侧面连接。
作为一种优选，连接块的高度与连接杆的厚度相同，连接块的高度为上斜杆或下斜杆的两倍厚度，连接块的高度为上横杆和下横杆的两倍厚度。
作为一种优选，上斜杆和下斜杆均为方形杆，上斜杆和下斜杆的长度相同。
作为一种优选，上横杆和下横杆均为方形杆，上横杆和下横杆的长度相同。
作为一种优选，圆环的圆心位于转动线上。
作为一种优选，三维结构通过多个三维结构单元在竖直方向和水平方向堆叠形成。
一种具有负泊松比特性的三维结构的组合方法，包括如下步骤：S1：将两个扭转结构单元重合放置，其中一个扭转结构单元以另一个扭转结构单元的转动线为旋转轴旋转90度；将四手性结构单元水平放置，圆环的圆心位于转动线上，连接杆与连接块的侧面连接，形成一个三维结构单元；S2：将多个三维结构单元在竖直方向和水平方向堆叠形成三维结构。
作为一种优选，步骤S2中，在竖直方向上，一个三维结构单元的两根上横杆分别与另一个三维结构单元的两根下横杆重合放置；在水平方向上，一个三维结构单元的上横杆的端部与另一个三维结构单元的连接块的侧面连接，一个三维结构单元的连接块的侧面与另一个三维结构单元的下横杆的端部连接；或一个三维结构单元的一根下横杆的端部与另一个三维结构单元的连接块的侧面连接，一个三维结构单元的连接块的侧面与另一个三维结构单元的上横杆的端部连接。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.本发明结构稳定、可实现多个方向负泊松比特性，三维结构在受到外部载荷压力时，三维结构单元的上斜杆和下斜杆挤压四手性结构单元的连接杆，连接杆推动圆环转动；在圆环与连接杆相互作用下，四手性结构单元将相邻的扭转结构单元两两互相向内拉扯，使三维结构受到载荷的横截面横向收缩变窄，使得横截面密度增加。在冲击变形过程中，横截面面积增加会抵消和缓冲外部载荷压力，压力的变化将会变得非常平缓，大大增加了冲击碰撞时的稳定性。
2.本发明有较好的转动惯量，四手性结构单元位于三维结构单元的中间，这种设计能够让三维结构单元发生变形时，四手性结构单元的转动惯量较好，同时减小扭转时三维结构单元发生崩溃的可能性。
3.本发明结构简单，力学性能好；连接杆的厚度等于连接块的高度，上斜杆与下斜杆的厚度均为连接块高度的一半，这种设计一方面使得三维结构单元更方便制造，更容易进行组合，另一方面能够让三维结构单元获得多个方向的等同性，横向收缩变窄能够同步进行，从而可以保持三维结构单元在受到较大的压力时降低剪切变形与压溃的几率。
4.本发明吸能效果好，抗冲击能力强；将多个三维结构单元在竖直方向和水平方向堆叠形成三维结构。其中每个三维结构单元大小相同，这能够让每一个截面内的三维结构单元在冲击过程中能够同步变形，提高三维结构的横向稳定性、能量吸收效率，提高抗冲击过程的平稳性。
5.本发明通用性强、适用范围广；三维结构单元及其组合成的三维结构具有多方向负泊松比特性及压扭吸能特性；同时，结构本身镂空，压缩行程长，适合广泛应用于汽车安全设备领域、穿戴设备(类肤)部件、隔音材料、夹芯板等。
附图说明
图1为三维结构单元的立体图。
图2为扭转结构单元的立体图。
图3为扭转结构单元的俯视图。
图4为四手性结构单元的立体图。
图5为四手性结构单元的俯视图。
图6为两个三维结构单元在竖直方向连接的立体图。
图7为三个三维结构单元在空间上连接的立体图。
图8为三维结构的立体图。
图9为三维结构的俯视图。
图10为夹角φ在角度范围内的等效弹性模量和等效泊松比的数值变化曲线图。
其中，1为扭转结构单元，2为四手性结构单元，3为上横杆，4为下横杆，5为上斜杆，6为下斜杆，7为连接块，8为圆环，9为连接杆，10为三维结构单元，A为等效弹性模量，B为等效泊松比。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例的一种具有负泊松比特性的三维结构，包括多个三维结构单元，三维结构单元包括一个水平设置的四手性结构单元和两个大小和结构均相同的扭转结构单元；扭转结构单元包括上横杆、下横杆、两根上斜杆、两根下斜杆，上横杆和下横杆水平设置，上横杆和下横杆的水平投影相互重合，上横杆的两端分别与两根上斜杆的一端连接，下横杆的两端分别与两根下斜杆的一端连接，两根上斜杆的另一端分别与两根下斜杆的另一端连接，两根上斜杆分别与两根下斜杆的水平投影相互重合，上横杆与上斜杆的水平投影形成一个夹角φ，两根上斜杆的水平投影相互平行；上横杆和下横杆的中点连线为转动线，两个扭转结构单元重合放置，其中一个扭转结构单元以另一个扭转结构单元的转动线为旋转轴旋转90度；四手性结构单元包括圆环、四根连接杆；四根连接杆沿圆环的外侧周向均匀分布，连接杆的一端与圆环相切，连接杆的另一端与上斜杆和下斜杆的连接点连接。
夹角φ为0°＜φ≤45°。如图10所示，夹角φ在角度范围内，等效弹性模量E随着角度的增大先减小后增大：等效负泊松比V随着角度的增大先减小后增大；结构负泊松比特性的明显程度随着角度的增大先增大后减小。
扭转结构单元还包括连接块，上斜杆和下斜杆通过连接块连接，连接块为立方体结构，上斜杆与连接块的顶端连接，下斜杆与连接块的底端连接，连接杆与连接块的侧面连接。连接块的高度与连接杆的厚度相同，连接块的高度为上斜杆或下斜杆的两倍厚度，连接块的高度为上横杆和下横杆的两倍厚度。
上横杆、下横杆、上斜杆和下斜杆均为方形杆。
上横杆和下横杆的长度相同，上横杆和下横杆的截面大小相同。
上斜杆和下斜杆的长度相同，上斜杆和下斜杆的截面大小相同。
圆环的圆心位于转动线上。
三维结构通过多个三维结构单元在竖直方向和水平方向堆叠形成。
四手性结构单元和两个扭转结构单元均通过3D打印一体成型制成。
如图6-图9所示，一种具有负泊松比特性的三维结构的组合方法，包括如下步骤：S1：将两个扭转结构单元重合放置，其中一个扭转结构单元以另一个扭转结构单元的转动线为旋转轴旋转90度；将四手性结构单元水平放置，圆环的圆心位于转动线上，连接杆与连接块的侧面连接，形成一个三维结构单元；S2：将多个三维结构单元在竖直方向和水平方向堆叠形成三维结构。
步骤S2中，在竖直方向上，一个三维结构单元的两根上横杆分别与另一个三维结构单元的两根下横杆重合放置；在水平方向上，一个三维结构单元的上横杆的端部与另一个三维结构单元的连接块的侧面连接，一个三维结构单元的连接块的侧面与另一个三维结构单元的下横杆的端部连接；或一个三维结构单元的一根下横杆的端部与另一个三维结构单元的连接块的侧面连接，一个三维结构单元的连接块的侧面与另一个三维结构单元的上横杆的端部连接。
本实施例的三维结构为蜂窝结构。
本发明的原理：根据代表性体单元(RSM)的定义，这种组合结构(三维结构)在压缩过程中，各个三维负泊松比结构单元之间相互关联，上一个三维结构单元的上斜杆或下斜杆推动挤压四手性结构单元的连接杆，使得圆环转动，使得三维结构单元整体横向扭转收缩，同时四手性结构单元的向内收缩拉扯相邻三维结构单元的上横杆或下横杆发生横向向内移动，这种运动特性依次传递下去便使得组合结构(三维结构)整体也具有与三维结构单元相同的负泊松比特性。
本发明的有益效果：本发明可置于汽车吸能盒内部充当夹芯结构，这比传统的薄壁管或在薄壁管中填充二维负泊松比蜂窝结构具有更好的吸能特性及抗冲击过程中具有更好的稳定性。在组合结构(三维结构)中，三维结构单元具有多方向负泊松比特性，同时整体结构也具有多方向负泊松比特性，这能够更好地利用负泊松比特性所带来的好处。
如图4和图5所示，四手性结构单元的四根连接杆的长均为b(mm)，连接杆与连接块连接的平面长度为t(mm)；圆环内径为r(mm)；四手性结构单元的厚度为2t(mm)。
如图2和图3所示，扭转结构单元的上横杆和下横杆的长度为L1(mm)，厚度为t(mm)；上斜杆和下斜杆的长度为L2(mm)，连接块的高度为2t(mm)，宽度为t(mm)，上横杆与上斜杆的水平投影形成一个夹角φ，本实施例中，φ为30°。
在建模软件中将四手性结构单元和扭转结构单元进行组合可得三维结构单元，三维结构单元等效弹性模量及等效泊松比的计算公式如下：
Figure BDA0003163561780000061
其中，E为结构的等效弹性模量；
σ为等效应力；
ε为等效应变；
F为拉力；
S为等效截面积；
ΔL为结构在拉伸方向上的伸长量；
L为结构在拉伸方向上的初始长度；
V为结构的体积。
Figure BDA0003163561780000071
其中，VXY为结构的等效泊松比，
εxy为拉力方向垂面上的等效应变，
εz为拉伸方向上的应变。
令其初始构造参数如下：
r＝2.5mm，L1＝20mm，L2＝14.2mm，t＝0.5mm，φ＝30°。且赋予的材料为ABS材料,其密度为1.1kg/m3，杨氏模量为1500Mpa，泊松比为0.3。对该三维结构单元进行拉力F＝19N的Z向拉伸。可得Z向的位移LZ＝1.9971mm；X和Y方向的位移LX＝LY＝-1.8175mm；通过计算可得三维结构单元在初始参数下的等效弹性模量E＝62.37Gpa；等效泊松比为VX＝VY＝-0.1317。
根据上述计算，其压缩过程中，如图1所示，三维结构的四根上斜杆(AI、BJ、CK、DL)和四根下斜杆(EI、FJ、GK、HL)挤压四手性结构单元的四根连接杆(I、J、K、L)，使四手性结构单元向内发生扭转收缩，斜杆推动挤压四手性结构单元的四根连接杆，从而使得四手性结构单元回转的同时连接杆向内收缩，在连接杆、上斜杆和下斜杆的相互作用下，三维结构单元在压缩过程中呈现出腰部截面向内收缩的负泊松比压缩特性；同理，当四手性结构单元拉伸时，三维结构单元呈现出腰部截面向外扩张的负泊松比拉涨特性。
实施例二
如图4和图5所示，四手性结构单元的四根连接杆的长均为b(mm)，连接杆与连接块连接的平面长度为t(mm)；圆环内径为r(mm)；四手性结构单元的厚度为2t(mm)。
如图2和图3所示，扭转结构单元的上横杆和下横杆的长度为L1(mm)，厚度为t(mm)；上斜杆和下斜杆的长度为L2(mm)，连接块的高度为2t(mm)，宽度为t(mm)，上横杆与上斜杆的水平投影形成一个夹角φ，本实施例中，φ为45°。
在建模软件中将四手性结构单元和扭转结构单元进行组合可得三维结构单元，三维结构单元等效弹性模量及等效泊松比的计算公式如下：
Figure BDA0003163561780000081
其中，E为结构的等效弹性模量；
σ为等效应力；
ε为等效应变；
F为拉力；
S为等效截面积；
ΔL为结构在拉伸方向上的伸长量；
L为结构在拉伸方向上的初始长度；
V为结构的体积。
Figure BDA0003163561780000082
其中，VXY为结构的等效泊松比，
εxy为拉力方向垂面上的等效应变，
εz为拉伸方向上的应变。
令其初始构造参数如下：
r＝2.5mm，L1＝20mm，L2＝14.2mm，t＝0.5mm，φ＝45°。且赋予的材料为ABS材料,其密度为1.1kg/m3，杨氏模量为1500Mpa，泊松比为0.3。对该三维结构单元进行拉力F＝19N的Z向拉伸。可得Z向的位移LZ＝1.5278mm；X和Y方向的位移LX＝LY＝0.1344mm；通过计算可得三维结构在初始参数下的等效弹性模量E＝65.87Gpa；等效泊松比为VX＝VY＝-0.08796。
根据上述计算，其压缩过程中，如图1所示，三维结构的四根上斜杆(AI、BJ、CK、DL)和四根下斜杆(EI、FJ、GK、HL)挤压四手性结构单元的四根连接杆(I、J、K、L)，使四手性结构单元向内发生扭转收缩，斜杆推动挤压四手性结构单元的四根连接杆，从而使得四手性结构单元回转的同时连接杆向内收缩，在连接杆、上斜杆和下斜杆的相互作用下，三维结构单元在压缩过程中呈现出腰部截面向内收缩的负泊松比压缩特性；同理，当四手性结构单元拉伸时，三维结构单元呈现出腰部截面向外扩张的负泊松比拉涨特性。
本实施例未提及部分同实施例一。
实施例三
如图4和图5所示，四手性结构单元的四根连接杆的长均为b(mm)，连接杆与连接块连接的平面长度为t(mm)；圆环内径为r(mm)；四手性结构单元的厚度为2t(mm)。
如图2和图3所示，扭转结构单元的上横杆和下横杆的长度为L1(mm)，厚度为t(mm)；上斜杆和下斜杆的长度为L2(mm)，连接块的高度为2t(mm)，宽度为t(mm)，上横杆与上斜杆的水平投影形成一个夹角φ，本实施例中，φ为5°。
在建模软件中将四手性结构单元和扭转结构单元进行组合可得三维结构单元，三维结构单元等效弹性模量及等效泊松比的计算公式如下：
Figure BDA0003163561780000091
其中，E为结构的等效弹性模量；
σ为等效应力；
ε为等效应变；
F为拉力；
S为等效截面积；
ΔL为结构在拉伸方向上的伸长量；
L为结构在拉伸方向上的初始长度；
V为结构的体积。
Figure BDA0003163561780000092
其中，VXY为结构的等效泊松比，
εxy为拉力方向垂面上的等效应变，
εz为拉伸方向上的应变。
令其初始构造参数如下：
r＝2.5mm，L1＝20mm，L2＝14.2mm，t＝0.5mm，φ＝5°。且赋予的材料为ABS材料,其密度为1.1kg/m3，杨氏模量为1500Mpa，泊松比为0.3。对该结构进行拉力F＝19N的Z向拉伸。可得Z向的位移LZ＝2.1235mm；X和Y方向的位移LX＝LY＝0.2177mm；通过计算可得三维结构在初始参数下的等效弹性模量E＝65.76Gpa；等效泊松比为VX＝VY＝-0.1205。
根据上述计算，其压缩过程中，如图1所示，三维结构的四根上斜杆(AI、BJ、CK、DL)和四根下斜杆(EI、FJ、GK、HL)挤压四手性结构单元的四根连接杆(I、J、K、L)，使四手性结构单元向内发生扭转收缩，斜杆推动挤压四手性结构单元的四根连接杆，从而使得四手性结构单元回转的同时连接杆向内收缩，在连接杆、上斜杆和下斜杆的相互作用下，三维结构单元在压缩过程中呈现出腰部截面向内收缩的负泊松比压缩特性；同理，当四手性结构单元拉伸时，三维结构单元呈现出腰部截面向外扩张的负泊松比拉涨特性。
本实施例中未提及部分同实施例一。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有负泊松比特性的三维结构，其特征在于：包括多个三维结构单元，三维结构单元包括一个水平设置的四手性结构单元和两个大小和结构均相同的扭转结构单元；扭转结构单元包括上横杆、下横杆、两根上斜杆、两根下斜杆，上横杆和下横杆水平设置，上横杆和下横杆的水平投影相互重合，上横杆的两端分别与两根上斜杆的一端连接，下横杆的两端分别与两根下斜杆的一端连接，两根上斜杆的另一端分别与两根下斜杆的另一端连接，两根上斜杆分别与两根下斜杆的水平投影相互重合，上横杆与上斜杆的水平投影形成一个夹角φ，两根上斜杆的水平投影相互平行；上横杆和下横杆的中点连线为转动线，两个扭转结构单元重合放置，其中一个扭转结构单元以另一个扭转结构单元的转动线为旋转轴旋转90度；四手性结构单元包括圆环、四根连接杆；四根连接杆沿圆环的外侧周向均匀分布，连接杆的一端与圆环相切，连接杆的另一端与上斜杆和下斜杆的连接点连接。
2.按照权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维结构，其特征在于：夹角φ为0°＜φ≤45°。
3.按照权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维结构，其特征在于：扭转结构单元还包括连接块，上斜杆和下斜杆通过连接块连接，连接块为立方体结构，上斜杆与连接块的顶端连接，下斜杆与连接块的底端连接，连接杆与连接块的侧面连接。
4.按照权利要求3所述的一种具有负泊松比特性的三维结构，其特征在于：连接块的高度与连接杆的厚度相同，连接块的高度为上斜杆或下斜杆的两倍厚度，连接块的高度为上横杆和下横杆的两倍厚度。
5.按照权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维结构，其特征在于：上斜杆和下斜杆均为方形杆，上斜杆和下斜杆的长度相同。
6.按照权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维结构，其特征在于：上横杆和下横杆均为方形杆，上横杆和下横杆的长度相同。
7.按照权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维结构，其特征在于：圆环的圆心位于转动线上。
8.按照权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维结构，其特征在于：三维结构通过多个三维结构单元在竖直方向和水平方向堆叠形成。
9.按照权利要求1-8中任一项所述的一种具有负泊松比特性的三维结构的组合方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将两个扭转结构单元重合放置，其中一个扭转结构单元以另一个扭转结构单元的转动线为旋转轴旋转90度；将四手性结构单元水平放置，圆环的圆心位于转动线上，连接杆与连接块的侧面连接，形成一个三维结构单元；
S2：将多个三维结构单元在竖直方向和水平方向堆叠形成三维结构。
10.按照权利要求9所述的一种具有负泊松比特性的三维结构的组合方法，其特征在于：步骤S2中，在竖直方向上，一个三维结构单元的两根上横杆分别与另一个三维结构单元的两根下横杆重合放置；
在水平方向上，一个三维结构单元的上横杆的端部与另一个三维结构单元的连接块的侧面连接，一个三维结构单元的连接块的侧面与另一个三维结构单元的下横杆的端部连接；或一个三维结构单元的一根下横杆的端部与另一个三维结构单元的连接块的侧面连接，一个三维结构单元的连接块的侧面与另一个三维结构单元的上横杆的端部连接。
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