CN113833792B - 一种自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构 - Google Patents

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Abstract

本发明一种具有自调节厚度梯度的星型‑三角形负泊松比结构，包括多个周期性单元，每个周期性单元包括一个星型结构、两个三角形结构和两个第一肋板；三角形结构为等腰三角形；星型结构包括四个内凹箭头，四个内凹箭头沿周向排布且依次首尾相连；相对的两个内凹箭头的顶点分别连接一第一肋板，另外两个相对的内凹箭头的顶点分别与一三角形结构的顶点连接。本发明在保持优异负泊松比效应的同时显著提高了其能量吸收能力。

Description

一种自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构
技术领域
本发明属于超材料领域，具体涉及到一种自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构。
背景技术
1829年，法国科学家泊松比首先提出了泊松比的概念，将其定义为：对材料进行单轴拉伸或者压缩时，材料的横向应变与纵向应变之比，即：
Figure BDA0003287682530000011
材料受到单轴拉伸时，其横截面会发生收缩变形，此时，该材料的泊松比为正值，为传统材料，如图1所示；材料受到单轴拉伸时，其横截面会发生扩张变形，此时，该材料的泊松比为负值，为负泊松比材料，如图2所示。
近年来，在交通运输、航空航天及包装等领域，轻量化设计已成为广泛关注的热点问题。目前，实现轻量化的主要措施是采用轻质材料替代传统材料，蜂窝超材料因其轻质且能量吸收性能优异等特点成为研究的热点。此外，经过20多年的发展，蜂窝超材料已成为材料领域的一个重要分支。与传统材料的组成形式不同，蜂窝超材料是由单个结构胞元通过周期性排列得到，并由人为控制材料或结构的功能属性以得到新的性能的新材料。其中，负泊松比超材料是一种与传统材料力学性质相反的新材料，在受到轴向拉伸(压缩)时，其垂直方向上膨胀(收缩)，这种特性使得材料的抗冲击性能、剪切性能、抗压痕能力、减振降噪及吸波能力显著提升。值得注意的是，负泊松比超材料的负泊松比特性不受基体材料自身属性的影响，主要由材料内部的微结构来控制。因此，对负泊松比超材料的研究主要集中在内部结构的设计方面，目前，常见的经典负泊松比结构主要包括：内凹结构、旋转刚体结构、手性/反手性结构、折纸结构及屈服-诱导结构等。
负泊松比超材料以独特的结构和性能使其在航空航天、机械与交通、生物医疗、军事防护、纺织及包装工业等领域具有广泛的应用前景。随着增材制造技术的发展，具有复杂结构的负泊松比超材料的制备问题得到了有效的解决。目前针对负泊松比结构的设计主要以负泊松比特性为设计目标，未考虑其力学性能的提升。因此，经典负泊松比超材料在实现负泊松比效应的同时削弱了自身的刚度及冲击强度，其承载能力满足不了实际工程应用需求。虽然近年来国内外学者提出了几种具有增强负泊松比超材料力学性能的新结构，但其负泊松比效应被削弱。因此，设计同时具有增强的负泊松比效应、变形稳定且力学性能优异的新型负泊松比超材料具有重要的意义。
发明内容
针对现有负泊松比结构存在的缺陷，本发明提出了一种具有自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，既具有明显的负泊松比效应，又具有显著提高的力学性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，包括多个周期性单元，每个周期性单元包括一个星型结构、两个三角形结构和两个第一肋板；三角形结构为等腰三角形；
星型结构包括四个内凹箭头，四个内凹箭头沿周向排布且依次首尾相连；其中，相对的两个内凹箭头的顶点分别连接一第一肋板，第一肋板与内凹箭头的内凹角平分线重合，另外两个相对的内凹箭头的顶点分别与一三角形结构的顶点连接，三角形结构顶角的角平分线与相连内凹箭头的内凹角平分线重合；第一肋板和三角形结构均位于星型结构的外部；
每个周期性单元中，第一肋板与相邻周期性单元中的第一肋板连接，三角形结构的底边与相邻周期性单元的三角形结构的底边连接；第一肋板相连接的两个相邻周期性单元还通过两星型结构相邻的节点相连接。
优选的，内凹箭头包括两个端部连接在一起的第二肋板。
优选的，星型结构中的四个内凹箭头完全相同。
进一步的，两个内凹箭头连接形成的夹角角度α与三角形结构的顶角角度β满足α+β＝90°。
进一步的，所述的三角形结构的腰长l1与星形结构的胞壁长度l2相同。
进一步的，三角形结构的底边长度h为第一肋板长度的两倍。
优选的，第一肋板的厚度与星形结构的胞壁厚度相同。
进一步的，三角形结构腰的厚度与星形结构的胞壁厚度相同.
进一步的，三角形结构腰的厚度是底边厚度的两倍。
优选的，所述自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构的材质为金属材料或碳纤维。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明负泊松比结构，在受到轴向压缩时星型胞壁横向收缩，呈现出明显的负泊松比效应。然后，星型胞壁与三角形结构自调节形成一种等效胞壁厚度增大的三角形格栅结构，其抗冲击能力显著提高。该结构在受到压缩时应力-应变曲线呈现两个不同的平台阶段：第一平台阶段的应力值较小，可显著降低初始峰值应力；第二平台阶段的应力值显著提高，可明显的增强该结构的能量吸收能力。相较于经典负泊松比结构，本发明在保持优异负泊松比效应的同时显著提高了其能量吸收能力。
进一步的，本发明星型结构的胞壁厚、胞壁长与三角形结构的腰的厚度与长度相同，第一肋板的长度为三角形底边长度的一半，厚度为其2倍。参数之间的配合，使结构相邻两个胞元之间具有较强的连接能力，同时也更加容易制备。
附图说明
图1为正泊松比材料受单轴拉伸时的变形机制示意图。
图2为负泊松比材料受单轴拉伸时的变形机制示意图。
图3为本发明的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构示意图。
图4为本发明自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构在面内压缩时的变形过程示意图。
图5为本发明自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构在面内压缩时的载荷-位移曲线示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供了一种自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，如图3(b)所示，其包括多个周期性单元，每个周期性单元包括一个星型结构、两个三角形结构和两个第一肋板。在图3(a)中，虚线框内的部分即为一个周期性单元。
三角形结构为等腰三角形。星型结构包括四个内凹箭头，四个内凹箭头沿周向排布且依次首尾相连。所述的两个第一肋板在竖直方向上对称与其中两个内凹箭头连接，所述的三角形结构在水平方向上对称与另外两个内凹箭头连接。具体的，相对的两个内凹箭头的顶点分别连接一第一肋板，第一肋板与内凹箭头的内凹角平分线重合。另外两个相对的内凹箭头的顶点分别与一三角形结构的顶点连接，三角形结构顶角的角平分线与相连内凹箭头的内凹角平分线重合。第一肋板和三角形结构均位于星型结构的外部。从而形成一个完整的单胞结构，单胞结构整体呈上下左右对称分布。
内凹箭头包括两个端部连接在一起的第二肋板。
每个周期性单元中，连接第一肋板的内凹箭头的节点与相邻周期性单元中连接第一肋板的内凹箭头的节点连接，且第一肋板也与相邻周期性单元中的第一肋板连接，三角形结构的底边与相邻周期性单元的三角形结构的底边连接。
具体地，所述多个周期性单元沿着水平方向分布成若干列，沿着垂直方向分布成若干行：
每一行中，相邻两个周期性单元通过三角形结构的底边依次左右相连，且相邻两个周期性单元关于其三角形结构的底边对称，每行中所有周期性单元尺寸相同。
每一列中，相邻两个周期性单元通过第一肋板以及星型结构的节点依次首尾相连，且在相邻的两个周期性单元中，距离最近的上下内凹箭头顶点间间距相等。
在本发明实施例中，每相邻两个周期性单元中距离最近的上下内凹箭头顶点间的距离等于两个第一肋板的长度之和，即为三角形结构的底边边长。
在本发明一个实施例中，四个内凹箭头完全相同，两个内凹箭头连接形成的夹角角度α与三角形结构的顶角角度β满足α+β＝90°，角θ是β的二分之一。
三角形结构的底边长度h为第一肋板长度的两倍。
所述的星形结构的胞壁长度及胞壁厚度分别都相等。
在本发明一个实施例中，如图3(b)所述的三角形结构的腰长l1与星形结构的胞壁长度l2相同。第一肋板的厚度t与星形结构的胞壁厚度、三角形结构腰的厚度相同，且三角形结构腰的厚度是底边厚度t2的两倍。
在本发明一个实施例中，星型-三角形负泊松比结构的基体材料可根据不同的功能需求选择，可为金属材料或碳纤维复合材料。
在本发明一个实施例中，星型-三角形负泊松比结构由增材制造技术制备(如3D打印)。
在面内压缩时，星型-三角形结构的变形过程可分为两个主要的变形阶段，也对应着载荷-位移曲线上的两个平台阶段。第一变形阶段：星型-三角形结构中的星型结构胞壁向芯部旋转，并驱动胞元整体向芯部收缩，蜂窝呈现出典型的负泊松比效应，如图4(a)、(b)和(c)所示。然而，在星型结构胞壁的旋转屈曲过程中三角形结构未发生明显的变形屈曲。随着压缩位移的增大，星型结构胞壁逐渐旋转至与三角形结构相互接触，星型-三角形结构自动变为经典的三角形结构，且倾斜胞壁的等效壁厚为原厚度的三倍，如图4(d)所示。在该变形阶段，星型-三角形结构不仅实现了结构的自动变化，而且倾斜胞壁的等效厚度自动的增大，实现了胞壁厚度的自调节增大功能。第二变形阶段：垂直胞壁及等效壁厚增大的倾斜胞壁在压缩载荷的作用下逐层坍塌，直至胞壁被完全压缩，如图4(e)和(f)所示。
图5所示为本发明的压缩载荷-位移曲线图，可以看出曲线具有两段平台应力阶段。第一平台阶段：星型-三角形蜂窝结构中星型胞壁旋转屈曲，胞壁的两端形成塑性铰，其载荷-位移曲线呈平台阶段，但载荷值较小。第二平台阶段：由星型-三角形结构自调节得到的等效壁厚增大的三角形格栅结构在轴向面内压缩载荷下逐层坍塌。由于倾斜胞壁的等效壁厚为原来的三倍，且垂直胞壁也发生塑性坍塌，其力-位移曲线的第二平台阶段载荷值显著提高，约为第一平台载荷值的6倍。正是由于星型-三角形负泊松比结构在面内压缩时自动变为新的三角形格栅结构，且倾斜胞壁通过变形重叠接触自调节为原壁厚的3倍，本发明提出的新型负泊松比结构的力学性能显著提高。
本发明在整个压缩过程中，平台应力区较长，蜂窝很晚才进入密实化阶段，这意味着本发明在降低初始峰值应力的同时也具有较好的吸能效果，并且由于三角形结构的稳定性，本发明的变形较传统的星型蜂窝更加稳定，具有优异的抗冲击性能。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还可以理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，包括多个周期性单元，每个周期性单元包括一个星型结构、两个三角形结构和两个第一肋板；三角形结构为等腰三角形；
星型结构包括四个内凹箭头，四个内凹箭头沿周向排布且依次首尾相连；其中，相对的两个内凹箭头的顶点分别连接一第一肋板，第一肋板与内凹箭头的内凹角平分线重合，另外两个相对的内凹箭头的顶点分别与一三角形结构的顶点连接，三角形结构顶角的角平分线与相连内凹箭头的内凹角平分线重合；第一肋板和三角形结构均位于星型结构的外部；
每个周期性单元中，第一肋板与相邻周期性单元中的第一肋板连接，三角形结构的底边与相邻周期性单元的三角形结构的底边连接；第一肋板相连接的两个相邻周期性单元还通过两星型结构相邻的节点相连接。
2.根据权利要求1所述的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，内凹箭头包括两个端部连接在一起的第二肋板。
3.根据权利要求1所述的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，星型结构中的四个内凹箭头完全相同。
4.根据权利要求3所述的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，两个内凹箭头连接形成的夹角角度α与三角形结构的顶角角度β满足α+β＝90°。
5.根据权利要求4所述的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，所述的三角形结构的腰长l1与星形结构的胞壁长度l2相同。
6.根据权利要求5所述的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，三角形结构的底边长度h为第一肋板长度的两倍。
7.根据权利要求1所述的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，第一肋板的厚度与星形结构的胞壁厚度相同。
8.根据权利要求7所述的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，三角形结构腰的厚度与星形结构的胞壁厚度相同。
9.根据权利要求8所述的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，三角形结构腰的厚度是底边厚度的两倍。
10.根据权利要求1所述的自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，其特征在于，所述自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构的材质为金属材料或碳纤维。
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