CN113669401B - 一种具有回转特性的负泊松比单胞结构和蜂窝结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，包括四个螺旋结构单元，四个螺旋结构单元呈矩形分布；螺旋结构单元包括两个回转结构单元，回转结构单元中，弧形杆的一端与转动臂的一端连接；第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆均与弧形杆连接且相切；两个回转结构单元的转动臂的另一端连接形成一根直杆，两个回转结构单元的弧形杆相对设置；两个回转结构单元中向外延伸的三根杆相互平行；相邻的螺旋结构单元通过相对应的第一延伸杆或第二延伸杆连接，相对的螺旋结构单元通过相对应的第三延伸杆连接。本发明还涉及一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构。本发明负泊松比特性效果明显，属于一种负泊松比结构。

Description

一种具有回转特性的负泊松比单胞结构和蜂窝结构
技术领域
本发明涉及一种负泊松比结构，具体涉及一种具有回转特性的负泊松比单胞结构和蜂窝结构。
背景技术
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。负泊松比结构在承受轴向载荷时，却表现出相反的特性，其泊松比为负值。该特性产生的宏观效应就是所述材料在受载时局部密度增加可以聚集更多材料抵抗载荷，从而产生更高的弹性模量、剪切模量、剪切模量、储能模量，更好的回弹韧性和抗断裂性能，且在载荷作用下随着负泊松比效应的增强而提高。因此负泊松比材料结构在抗冲击、耐变形破坏部件设计领域具有广泛的应用前景。
负泊松比材料由于有着不同于普通材料的独特性质，负泊松比材料的剪切模量、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。
在冲击载荷作用下，不同的胞元结构形式将对材料局部动态力学行为产生显著影响。目前，负泊松比结构普遍以内凹六边形结构及星型结构单胞结构为主；内凹六边形和星型单包结构在受载压缩时，由于相邻边之间的结合处厚度相较与其他区域较厚，这在一定程度上会抑制内凹变形的趋势，且两种结构在接合处应力集中较大，压缩时容易断裂失效，负泊松比特性效果一般。
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：提供一种负泊松比特性效果明显的具有回转特性的负泊松比单胞结构和蜂窝结构。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，包括四个螺旋结构单元，四个螺旋结构单元呈矩形分布；螺旋结构单元包括两个回转结构单元，回转结构单元包括转动臂、弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆、第三延伸杆；弧形杆的一端与转动臂的一端连接；弧形杆分为第一弧形段、第二弧形段和第三弧形段；第一延伸杆的一端与第一弧形段连接，第一延伸杆与第一弧形段相切；第二延伸杆的一端与第二弧形段连接，第二延伸杆与第二弧形段相切；第三延伸杆的一端与第三弧形段连接，第三延伸杆与第三弧形段相切；两个回转结构单元的转动臂的另一端连接形成一根直杆，两个回转结构单元的弧形杆相对设置；两个回转结构单元的第一延伸杆相互平行，两个回转结构单元的第二延伸杆相互平行，两个回转结构单元的第三延伸杆相互平行；四个螺旋结构单元中，相邻的螺旋结构单元通过相对应的第一延伸杆或第二延伸杆连接，相对的螺旋结构单元通过相对应的第三延伸杆连接。
作为一种优选，回转结构单元中，第一延伸杆和第二延伸杆的延长线相互垂直。
作为一种优选，螺旋结构单元中，两个弧形杆的外侧面均为外凸的弧形面。
作为一种优选，转动臂、弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆均为实心结构。
作为一种优选，第一弧形段的半径为r1，第二弧形段的半径为r2，第三弧形段的半径为r3，r1＜r2＜r3。
作为一种优选，第一弧形段的圆心和第三弧形段的圆心重合。
作为一种优选，单胞结构采用增材制造技术制成；单胞结构采用金属铝制备形成。
一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构，采用一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，蜂窝结构通过多个结构相同的单胞结构在同一平面上阵列形成。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.本发明的单胞结构负泊松比特性效果明显，单胞结构在受到外部载荷压力时，螺旋结构单元中，回转结构的弧形杆所连接的第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆会受到相邻螺旋结构单元的挤压力，这种力会推动第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆朝着两个转动臂的连接点方向卷曲，且使得两个转动臂连接形成的直杆产生扭转力矩；在扭转力矩的作用下，两根弧形杆会产生绕着转动臂向内回转收缩的运动趋势，在持续加载的过程中，这种现象将一直持续进行，使得弧形杆发生回转塑性变形；在弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆的相互作用下，又带动其他螺旋结构单元向内收缩，相邻单胞结构的第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆之间互相拉扯，使得单胞结构在垂直载荷方向横向收缩变窄，从而使得结构的塑性变形量增加，负泊松比的特性提高。
2.本发明的蜂窝结构负泊松比特性效果明显，四个螺旋结构单元按照矩形分布，这种设计使得压缩变形过程中，四个螺旋结构单元所产生的扭转力矩使得整体分支均同步向内卷曲收缩，并且这种卷曲收缩的塑性变形是同步进行的，从而可以使得整体蜂窝结构受载变形后不但有较高的回转惯性，还有较好的稳定性，变形过程也更加稳定。
附图说明
图1为一种具有回转特性的负泊松比单胞结构的示意图。
图2为螺旋结构单元的示意图。
图3为回转结构单元的示意图。
图4为一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构的示意图。
图5为一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构的受力变形示意图。
图6为图5中E的放大图。
图7为ε＝0时，一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构的变形云图。
图8为ε＝0.1时，一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构的变形云图。
图9为ε＝0.2时，一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构的变形云图。
图10为ε＝0.4时，一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构的变形云图。
图11为ε＝0.5时，一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构的变形云图。
其中，1为螺旋结构单元，2为转动臂，3为弧形杆，4为第一延伸杆，5为第二延伸杆，6为第三延伸杆，7为单胞结构，8为第一弧形段，9为第二弧形段，10为第三弧形段，A、B、C和D均为螺旋结构单元，F为力的方向。
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
本实施例中的一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，包括四个螺旋结构单元，四个螺旋结构单元呈矩形分布；螺旋结构单元包括两个回转结构单元，回转结构单元包括转动臂、弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆、第三延伸杆；弧形杆的一端与转动臂的一端连接；弧形杆分为第一弧形段、第二弧形段和第三弧形段；第一延伸杆的一端与第一弧形段连接，第一延伸杆与第一弧形段相切；第二延伸杆的一端与第二弧形段连接，第二延伸杆与第二弧形段相切；第三延伸杆的一端与第三弧形段连接，第三延伸杆与第三弧形段相切；两个回转结构单元的转动臂的另一端连接形成一根直杆，两个回转结构单元的弧形杆相对设置；两个回转结构单元的第一延伸杆相互平行，两个回转结构单元的第二延伸杆相互平行，两个回转结构单元的第三延伸杆相互平行；四个螺旋结构单元中，相邻的螺旋结构单元通过相对应的第一延伸杆或第二延伸杆连接，相对的螺旋结构单元通过相对应的第三延伸杆连接。
回转结构单元中，第一延伸杆和第二延伸杆的延长线相互垂直。螺旋结构单元中，两个弧形杆的外侧面均为外凸的弧形面。转动臂、弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆均为实心结构。第一弧形段的半径为r1，第二弧形段的半径为r2，第三弧形段的半径为r3，r1＜r2＜r3。第一弧形段的圆心和第三弧形段的圆心重合。
单胞结构采用增材制造技术制成。单胞结构采用金属铝制备形成。
如图2所示，螺旋结构单元包含两个回转结构单元，每个回转结构单元包括转动臂、弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆、第三延伸杆；弧形杆的一端与转动臂的一端连接；弧形杆分为第一弧形段、第二弧形段和第三弧形段；第一延伸杆的一端与第一弧形段连接，第一延伸杆与第一弧形段相切；第二延伸杆的一端与第二弧形段连接，第二延伸杆与第二弧形段相切；第三延伸杆的一端与第三弧形段连接，第三延伸杆与第三弧形段相切；其中，转动臂的另一端向第一弧形段的圆心延伸，以转动臂的另一端为原点建立直角坐标系，转动臂的长度为a/2(mm)，两个转动臂连接形成的直杆长度为a；第一弧形段的半径为r1(mm)，第二弧形段的半径为r2(mm)，第三弧形段的半径为r3(mm)，第一延伸杆的长度为b(mm)，第一延伸杆的延长线与直角坐标系的y轴夹角为β(°)；第二延伸杆的长度为c(mm)，第二延伸杆与直角坐标系的x轴夹角为γ(°)；第三延伸杆的长度为d(mm)，第三延伸杆与直角坐标系的x轴夹角为δ(°)；转动臂、弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆的厚度均为t(mm)，整个螺旋结构单元的长和宽均为L(mm)。
如图1所示，本发明所述的具有回转特性的负泊松比单胞结构包含四个螺旋结构单元，四个螺旋结构单元分别为螺旋结构单元A、螺旋结构单元B、螺旋结构单元C和螺旋结构单元D；螺旋结构单元A、螺旋结构单元B、螺旋结构单元C和螺旋结构单元D结构相同，四个螺旋结构单元(ABCD)按照矩形分布，螺旋结构单元A分别和螺旋结构单元B、螺旋结构单元C相邻，螺旋结构单元A和螺旋结构单元D相对。其中，螺旋结构单元A与螺旋结构单元B通过相对应的一个回转结构单元的第一延伸杆相接，螺旋结构单元A与螺旋结构单元C通过相对应的另一个回转结构单元的第二延伸杆相接；螺旋结构单元A与螺旋结构单元D通过一个回转结构单元的第三延伸杆相接。四个螺旋结构单元(ABCD)中，四个螺旋结构单元围成的矩形其长边为相邻两个螺旋结构单元的第一延伸杆，四个螺旋结构单元围成的矩形其宽边为相邻两个螺旋结构单元的第二延伸杆，四个螺旋结构单元围成的矩形的对角线为四个螺旋结构单元的第三延伸杆；其中四个螺旋结构单元的一个第三延伸杆均相接在对角线的交点。
本发明的原理：单胞结构在受到外部载荷压力时，螺旋结构单元中，回转结构的弧形杆所连接的第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆会受到相邻螺旋结构单元的挤压力，这种力会推动第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆朝着两个转动臂的连接点方向卷曲，且使得两个转动臂连接形成的直杆产生扭转力矩；在扭转力矩的作用下，两根弧形杆会产生绕着转动臂向内回转收缩的运动趋势，在持续加载的过程中，这种现象将一直持续进行，使得弧形杆发生回转塑性变形；在弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆的相互作用下，又带动其他螺旋结构单元向内收缩，相邻单胞结构的第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆之间互相拉扯，使得单胞结构在垂直载荷方向横向收缩变窄，从而使得结构的塑性变形量增加，负泊松比的特性提高。
实施例二
一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构，采用一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，蜂窝结构通过多个结构相同的单胞结构在水平面上阵列形成。
本发明所述蜂窝结构的组合方式是：单胞结构的第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆与相邻单胞结构的第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆固接于接合面处，按照这种方式在横向纵向拓展排列组合即可得蜂窝结构。
在建模软件中构建单胞结构和蜂窝结构，高度h设置为10mm，赋予的材料为铝合金，令单胞结构初始构造参数如下：
a＝3.77mm，b＝8mm，c＝9.5mm，d＝10.55mm；
α＝30°，β＝90°，γ＝90°，δ＝21.37°；
r1＝r2＝3mm，r3＝5mm，t＝1mm，L＝18mm；
将蜂窝结构模型置于有限元软件中进行压缩试验，变形过程中内部负泊松比单胞结构的回转特性表现的较为明显。本发明的具有回转特性的负泊松比单胞结构和蜂窝结构在受到外部载荷压力时，其内部回转结构的回转臂所连结的第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆会受到相邻单胞结构的挤压力，这种力会推动第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆朝着回转中心(两个转动臂的连接点)的方向卷曲且使得两个转动臂形成的直杆产生扭转力矩；在扭转力矩的作用下，两个弧形杆会产生绕着回转中心的向内回转收缩的运动趋势，在持续加载的过程中，这种现象将一直持续进行，使得回转臂发生回转塑性变形；在回转臂与第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆的相互作用下，又带动第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆向内收缩。同时，相邻单胞结构的第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆之间互相拉扯，使得蜂窝结构在垂直载荷方向横向收缩变窄。
压缩时螺旋结构单元的回转特性在蜂窝结构中互相作用，互相传递叠加，在应变ε＝0～0.5的过程中，单胞结构大体上发生较为明显的压缩变细变窄的负泊松比特性，因此单胞结构组成的蜂窝结构比经典蜂窝结构更加显著。
本实施例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 (8)

1.一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，其特征在于：包括四个螺旋结构单元，四个螺旋结构单元呈矩形分布；螺旋结构单元包括两个回转结构单元，回转结构单元包括转动臂、弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆、第三延伸杆；弧形杆的一端与转动臂的一端连接；弧形杆分为第一弧形段、第二弧形段和第三弧形段；第一延伸杆的一端与第一弧形段连接，第一延伸杆与第一弧形段相切；第二延伸杆的一端与第二弧形段连接，第二延伸杆与第二弧形段相切；第三延伸杆的一端与第三弧形段连接，第三延伸杆与第三弧形段相切；两个回转结构单元的转动臂的另一端连接形成一根直杆，两个回转结构单元的弧形杆相对设置；两个回转结构单元的第一延伸杆相互平行，两个回转结构单元的第二延伸杆相互平行，两个回转结构单元的第三延伸杆相互平行；四个螺旋结构单元中，相邻的螺旋结构单元通过相对应的第一延伸杆或第二延伸杆连接，相对的螺旋结构单元通过相对应的第三延伸杆连接；两个回转结构单元中弧形杆的第一弧形段分别位于直杆的两侧。
2.按照权利要求1所述的一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，其特征在于：回转结构单元中，第一延伸杆和第二延伸杆的延长线相互垂直。
3.按照权利要求1所述的一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，其特征在于：螺旋结构单元中，两个弧形杆的外侧面均为外凸的弧形面。
4.按照权利要求1所述的一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，其特征在于：转动臂、弧形杆、第一延伸杆、第二延伸杆和第三延伸杆均为实心结构。
5.按照权利要求1所述的一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，其特征在于：第一弧形段的半径为r1，第二弧形段的半径为r2，第三弧形段的半径为r3，r1＜r2＜r3。
6.按照权利要求5所述的一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，其特征在于：第一弧形段的圆心和第三弧形段的圆心重合。
7.按照权利要求1所述的一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，其特征在于：单胞结构采用增材制造技术制成；单胞结构采用金属铝制备形成。
8.一种具有回转特性的负泊松比蜂窝结构，采用权利要求1-7中任一项所述的一种具有回转特性的负泊松比单胞结构，其特征在于：蜂窝结构通过多个结构相同的单胞结构在同一平面上阵列形成。
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