CN113898690A - 一种具有负泊松比效应的组合结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有负泊松比效应的装配式组合结构，包括波纹板和方管，所述波纹板和方管按排布实现整体结构的负泊松比效应。首先，设计好波纹板尺寸、方管的尺寸和整体尺寸；其次按照实际受力要求或应用场景，选择波纹板和方管的材质，波纹板材质要满足有一定的延性，可实现大变形弯折，方管无特定的要求，可以实现与波纹板稳定连接即可。然后按照设计要求的连接顺序，选择合适的连接方法进行连接，可采用的连接有：粘接、焊接、铆接等。本发明装配式组合结构被证明具有很强的新颖性和实用性，在实现负泊松比效应的同时具备变刚度特性，在冲击防护、航空航天和传感器等领域具有极大应用潜能。

Description

一种具有负泊松比效应的组合结构

技术领域

本发明涉及一种通过组装波纹板和方管来设计具有负泊松比效应的组合结构，属于新材料和新结构领域。

背景技术

不同于自然界大部分材料，负泊松比材料或结构在受压时会收缩，受拉时膨胀。这种特殊的力学行为使负泊松比材料或结构表现出很多理想的力学性能，其在抗剪承载力、抗断裂性能、吸能耗能能力、抗凹陷性能相对于正泊松比材料均有一定程度的提升。这些优异的力学表现也使负泊松比材料和结构在医疗、航天、冲击防护、传感器等领域有着巨大的应用潜能。负泊松比材料和结构也是当前的一项重要的研究热点，越来越多的学者投身到负泊松比材料和结构的研究当中。

负泊松比材料的发展已有三十多年，取得了不少成果。但是，由于负泊松比结构的复杂拓扑，大多数现有的负泊松比结构都基于高成本的制造工艺，如3D打印技术、激光切割技术。高成本的制造工艺也限制了负泊松比结构的推广和实际应用，降低负泊松比结构的制造成本成为了领域内一个热点问题。3D打印技术和激光切割技术对基材要求比较高，制造的尺寸也有相应的要求，因此目前绝大多数负泊松比结构都停留在较小尺寸的构件的制造上，难以实现负泊松比结构在较大型的工程和领域的应用。

利用市面上现有简单结构，即波纹板和方管，通过设定的排列组合设计，便可实现一定方向上的负泊松比效应，该结构支持多种材料拼接甚至复合，支持的材料包括铝材和塑料等廉价材料，实现了负泊松比结构的低成本制造。由于是组合结构，可以实现大面积组装，从而满足各种尺度上的应用要求。

发明内容

本发明的目的是为突破当前负泊松比结构的制造瓶颈，利用波纹板和方管实现大尺寸、高效率、低成本的负泊松比结构制造，提供一种具有负泊松比效应的组合结构，以实现负泊松结构的实际应用和推广。

本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的组合结构，包括波纹板和方管，所述波纹板和方管按以下排布实现整体结构的负泊松比效应：

所述波纹板端部弯折长度L1、波纹板中间段弯折距离L3和方管宽度L₅满足关系：L₁>L₅、L₃>L₅；

所述波纹板的弯折半径R₁及方管弯折半径R₂与方管宽度L₅应满足关系：

在工艺范围内应尽量小；

所述波纹板的弯折角度θ满足：0°<θ<180°；

所述波纹板壁厚t₁满足：

L₂为波纹板斜杆长度，L₄为方管长度；

所述方管壁厚t₂应满足：

所述组合结构中波纹板高度h₁和方管高度h₂满足：

L₆为组合结构整体结构长度；

所述组合结构整体结构长度L₆和整体结构宽度L₇满足：

所述方管和波纹板交替、交错进行连接，实现整体效果。

作为优选，所述方管包括实心肋、管状肋及各种可以满足连接和变形要求的形式。

作为优选，所述方管和波纹板连接方式包括粘接、焊接、铆接适合于选定材料的可靠连接方法。

作为优选，所述方管结构可替换为实心方棒、镂空方棒和不规则形状连接单元。

本发明设计的组合结构由于其装配的构建方法，可以根据不同的尺寸需求进行排列，在排列方向上不限排列列数，但需要满足上述尺寸要求；

本发明设计的结构基材选择具有高度自由度，波纹板满足变形延性的条件即可。方管为连接单元，可更换为其他形式连接单元，延性非连接单元的必要属性，形状也可进行设计，以增加其实用性或美观性不妨碍波纹板变形即可。

本发明其产生负泊松比效应的关键在于波纹板和方管的特定排列形式的结构的设计。通过该方法所设计出的组合结构具有明显的负泊松比效应，同时能在大的应变范围内维持负泊松比性能。此外，所设计的负泊松比组合结构可以实现不同材料的复合，根据波纹板和方管的尺寸定义，可以实现在大范围尺度下的搭建。

有益效果：本发明的结构基于波纹板主体和方管，采用装配的方法进行制造。通过对市面上的普通材料进行装配设计，该结构实现整体受力时表现出负泊松比效应，具有诸多优良的力学响应和工程应用优势如抗凹陷性、曲面同向性、抗剪切性。该结构的特殊形态和力学响应也使其拥有可控变刚度的特点，即在变形达到某个特定的值时，结构的刚度会得到显著提升，这种特性可以在小变形下提供柔和缓冲，在大变形下提供足量吸能，其在防护和分级传感上具有一定的应用潜力。该结构由于高度的装配自由度，可采用绝大多数材料进行装配，实现各种强度、性质的材料进行复合，以满足不同应用场景。

本发明在利用简单构件波纹板和方管，进行特定的排列组合，形成具有负泊松比效应的组合结构，实现了负泊松比结构的低成本制造和大体积制造，推动了负泊松比结构的实际应用。

附图说明

图1为具有负泊松比效应的组合结构中波纹板俯视图；

图2为具有负泊松比效应的组合结构中方管俯视图。

图3为具有负泊松比效应的组合结构正视图；

图4为具有负泊松比效应的组合结构侧视图；

图5为具有负泊松比效应的组合结构三视图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明做进一步描述：

如图1-5所示，一种具有负泊松比效应的组合结构，包括波纹板和方管，以8波纹板31方管组合为例，所述波纹板和方管按以下排布实现整体结构的负泊松比效应：

所述波纹板端部弯折长度L1、波纹板中间段弯折距离L3和方管宽度L₅满足关系：L₁>L₅、L₃>L₅；

所述波纹板的弯折半径R₁及方管弯折半径R₂与方管宽度L₅应满足关系：

在工艺范围内应尽量小；

所述波纹板的弯折角度θ满足：0°<θ<180°；

所述波纹板壁厚t₁满足：

L₂为波纹板斜杆长度，L₄为方管长度；

所述方管壁厚t₂应满足：

所述组合结构中波纹板高度h₁和方管高度h₂满足：

L₆为组合结构整体结构长度；

所述组合结构整体结构长度L₆和整体结构宽度L₇满足：

所述方管和波纹板交替、交错进行连接，实现整体效果。

所述组合结构的设计包括以下步骤：

1)根据实际应用场景选择基材，设计相关参数，包括波纹板壁厚t1、波纹板端部弯折长度L₁、波纹板弯折半径R₁、波纹板弯折角度θ、波纹板斜杆长度L₂、波纹板中间段弯折距离L₃、波纹板高度h₁、方管壁厚t₂、方管长度L₄、方管宽度L₅、方管弯折半径R₂方管高度h₂、整体结构长度L₆和整体结构宽度L₇得到设计的波纹板和方管，选取可靠的连接方式进行组装；

2)设计的组合结构由于其装配的构建方法，可以根据不同的尺寸需求进行排列，在排列方向上不限排列列数，但需要满足上述尺寸要求；

3)设计的结构基材选择具有高度自由度，波纹板满足变形延性的条件即可。方管为连接单元，可更换为其他形式连接单元，延性非连接单元的必要属性，形状也可进行设计，以增加其实用性或美观性不妨碍波纹板变形即可。

所述方管包括实心肋、管状肋及各种可以满足连接和变形要求的形式。所述方管和波纹板连接方式包括粘接、焊接、铆接适合于选定材料的可靠连接方法。所述方管结构可替换为实心方棒、镂空方棒和不规则形状连接单元。

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和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本事例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种具有负泊松比效应的组合结构，其特征在于：包括波纹板和方管，所述波纹板和方管按以下排布实现整体结构的负泊松比效应：

所述波纹板端部弯折长度L1、波纹板中间段弯折距离L3和方管宽度L₅满足关系：L₁>L₅、L₃>L₅；

所述波纹板的弯折半径R₁及方管弯折半径R₂与方管宽度L₅应满足关系：

所述波纹板的弯折角度θ满足：0°<θ<180°；

所述波纹板壁厚t₁满足：

L₂为波纹板斜杆长度，L₄为方管长度；

所述方管壁厚t₂应满足：

所述组合结构中波纹板高度h₁和方管高度h₂满足：

L₆为组合结构整体结构长度；

所述组合结构整体结构长度L₆和整体结构宽度L₇满足：

所述方管和波纹板交替、交错进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的组合结构，其特征在于：所述方管包括实心肋和管状肋。

3.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的组合结构，其特征在于：所述方管和波纹板连接方式包括粘接、焊接或铆接。

4.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比效应的组合结构，其特征在于：所述方管结构替换为实心方棒、镂空方棒和不规则形状连接单元。

Images