CN113915274B - 一种星型-菱形负泊松比结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种星型‑菱形负泊松比结构，包括多个周期性单元，每个周期性单元包括一个星型结构和四个单箭头型结构；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；单箭头型结构位于星型结构外部，单箭头型结构与内凹箭头一一对应设置，单箭头型结构的顶点与对应内凹箭头的顶点连接，且单箭头型结构的角平分线与对应内凹箭头的角平分线重合；每个周期性单元中的单箭头型结构与相邻周期性单元中的单箭头型结构相连，两个单箭头型结构相连呈菱形结构。本发明在确保负泊松比效应的同时增强了结构的变形稳定性以及大大地提高了能量吸收性能。

Description

一种星型-菱形负泊松比结构
技术领域
本发明属于超材料领域，具体涉及到一种星型-菱形负泊松比结构。
背景技术
随着工程技术的不断发展，传统材料的性能已经远远不能满足实际的需求，因此，这就需要一些具备特殊力学性能的新材料应用到工程中。根据用途和性能，材料可以分为两大类：功能材料和结构材料。功能材料是指具有特殊的电、光等物理性能的材料，结构材料是指具有较好的强度、刚度及耐高温等特性的材料。传统材料在受到单轴拉伸时会发生侧向收缩变形，如图1所示。而负泊松比材料在受到单轴拉伸时，会发生侧向膨胀，如图2所示，其在发生膨胀现象的同时，也会表现出很强的力学及物理特性，因此，负泊松比材料既是功能材料又是结构材料。单胞结构是负泊松材料的核心，对材料整体性能的好坏起着决定性作用，目前，常见的经典负泊松比单胞内凹结构主要包括：双箭头结构、内凹六边形结构、星型结构、手性/反手性结构等。
负泊松比超材料具有特殊的力学现象与性能，因此在生物医学、航空工业、国防工业及交通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。目前研究者已经提出多种胞元结构，但是一些胞元结构构成的负泊松比材料存在着负泊松比效应不明显、初始峰值应力较大、平台应力期较短、能量吸收性能较弱等问题，其力学性能根本满足不了实际工程的应用需求。
例如，传统的星型蜂窝结构在面内压缩时初始峰值应力过大，平台应力区较短，蜂窝过早进入密实化区，大大地降低了能量吸收性能，且蜂窝在压缩过程中变形稳定性差，显著地降低了抗冲击能力。
因此，构造增强负泊松比效应、力学性能优异的新型复杂结构负泊松比超材料具有重要的意义。
发明内容
针对现有复杂结构负泊松比结构存在的缺陷，本发明提出了一种星型-菱形负泊松比结构。本发明在确保负泊松比效应的同时增强了结构的变形稳定性以及大大地提高了能量吸收性能。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种星型-菱形负泊松比结构，包括多个周期性单元，每个周期性单元包括一个星型结构和四个单箭头型结构；
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；单箭头型结构位于星型结构外部，单箭头型结构与内凹箭头一一对应设置，单箭头型结构的顶点与对应内凹箭头的顶点连接，且单箭头型结构的角平分线与对应内凹箭头的角平分线重合；
每个周期性单元中的单箭头型结构与相邻周期性单元中的单箭头型结构相连，两个单箭头型结构相连呈菱形结构。
优选的，内凹箭头包括两个端部连接在一起的第一肋板。
优选的，单箭头型结构包括两个端部连接在一起的第二肋板。
优选的，四个内凹箭头完全相同。
优选的，两个内凹箭头连接形成的夹角角度α与单箭头型结构的角度β满足α+β＝90°。
优选的，单箭头型结构的胞壁长度l1与星型结构的胞壁长度l2相同。
优选的，单箭头型结构的胞壁厚度t1与星型结构的胞壁厚度t2相同。
优选的，所述星型-菱形负泊松比结构的材质为金属、PLA耗材或碳纤维。
优选的，所述星型-菱形负泊松比结构采用3D打印技术制备得到。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明是一种负泊松比超材料，通过把星型蜂窝结构的水平和竖直肋板替换为四个单箭头型结构，从而形成一种星型-菱形负泊松比结构。在面内压缩时，星型-菱形负泊松比蜂窝结构出现颈缩现象，呈现出负泊松比特性，随着压缩的进行，星型结构与单箭头型结构的胞壁互相接触挤压，使其自调节胞壁厚度，生成一种新的蜂窝结构—菱形格栅结构。与星型-菱形蜂窝结构相比，菱形格栅结构的几何参数发生变化，等效倾斜胞壁厚度增大。由于菱形格栅结构的产生，本发明会出现两个平台应力阶段，且第一平台阶段平缓过渡到第二平台阶段，整个结构呈均质变化，变形呈现出明显的稳定性。此外，本发明在水平与竖直方向上压缩时会出现相同的结构变化现象，在确保负泊松比效应的同时增强了结构的稳定性以及大大地提高了结构的抗冲击和能量吸收性能，可应用于航空航天、防护设备和国防工程等领域中。
进一步的，本发明星型结构与单箭头型结构的胞壁厚度与长度分别相同，参数之间的配合，使结构相邻两个胞元之间具有较强的传力能力，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为本发明星型-菱形负泊松比蜂窝结构示意图。
图4为本发明在面内压缩时的变形过程示意图。
图5为本发明的准静态压缩载荷-位移曲线图。
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。
本发明提供了一种星型-菱形负泊松比结构，如图3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和四个单箭头型结构。在图3(a)中，虚线框内的部分即为一个周期性单元。
具体地，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，形成星型结构。内凹箭头包括两个端部连接在一起的第一肋板。单箭头型结构包括两个端部连接在一起的第二肋板。
单箭头型结构位于星型结构外部，单箭头型结构与内凹箭头一一对应设置，单箭头型结构的顶点与对应内凹箭头的顶点连接，且单箭头型结构的角平分线与对应内凹箭头的角平分线重合，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。
相邻两个周期性单元在X方向上通过两个单箭头结构的节点相互连接，在Y方向上通过另外两个单箭头结构的节点相互连接，两个单箭头型结构相连形成菱形结构，从而形成一个二维的星型-菱形负泊松比蜂窝结构。即所述的两个单箭头结构的顶点在水平方向上对称与两个内凹箭头的顶点连接，所述的另外两个单箭头结构的顶点在垂直方向上对称与另外两个内凹箭头的顶点连接。
在一个具体实施例中，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与单箭头型结构的角度β满足α+β＝90°，角θ是β的二分之一。
在一个具体实施例中，单箭头型结构的胞壁长度l1和厚度t1与星型结构的胞壁长度l2和胞壁厚t2相同，如图3(b)。
星型-菱形负泊松比结构的基体材料可以为金属、PLA耗材、碳纤维等复合材料。
星型-菱形负泊松比结构可以用3D打印技术制备。
本发明中，针对目前星型负泊松比结构存在的应力集中的问题，在星型结构的基础上，以单箭头结构替换了垂直和水平肋板，增加了结构之间的接触面积与受力面积，明显地减少了应力集中。
在面内压缩时，星型-菱形负泊松比蜂窝结构的变形过程主要分为两个阶段，在载荷-位移曲线上体现出两个平台阶段。第一变形阶段：星型-菱形负泊松比蜂窝结构中的星型结构的胞壁发生旋转与横向收缩变形，结构出现内凹现象，蜂窝呈现出典型的负泊松比效应，如图4(a)、(b)和(c)所示。在星型结构的胞壁发生旋转变形的过程中，菱形结构未发生明显变化。随着压缩的进行，星型结构和菱形结构的胞壁相互接触挤压，星型-菱形结构自动变为传统的菱形结构，倾斜胞壁的壁厚变为原来的四倍，如图4(d)所示。在该变形过程中，星型-菱形结构的胞壁自动调节其相对位置使等效胞壁厚度增加，形成一种菱形蜂窝结构。实现了结构自调节胞壁厚度的功能。第二变形阶段：等效壁厚增大的菱形蜂窝结构在压缩载荷的作用下逐层压溃，直至蜂窝结构密实化，如图4(e)和(f)所示。
图5所示为本发明在面内压缩时的载荷-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-菱形负泊松比蜂窝结构中的星型结构的胞壁发生旋转变形，其载荷-位移曲线呈现平台阶段，但初始峰值力较小，大大地减少了负泊松比结构应力集中的问题。第二平台阶段：星型-菱形蜂窝结构自调节倾斜胞壁壁厚形成的菱形格栅结构在面内压缩载荷的作用下逐层压溃。由于倾斜胞壁壁厚变为原来的四倍，其载荷-位移曲线上的第二阶段的载荷值高于第一阶段。星型-菱形结构在轴向压缩载荷作用下，其星型结构与菱形结构的胞壁相互接触挤压，自调节形成一种增强胞壁厚度的菱形格栅结构，其等效倾斜胞壁的厚度为原来的四倍。本发明提出的新型负泊松比结构的力学性能显著提高。
与传统星型蜂窝结构相比，本发明在整个压缩过程中，平台应力区较长且平台应力较大，明显地增强了结构的能量吸收性能，且变形稳定，初始峰值应力较小，大大地提高了结构的抗冲击性能。
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 (9)

1.一种星型-菱形负泊松比结构，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和四个单箭头型结构；
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；单箭头型结构位于星型结构外部，单箭头型结构与内凹箭头一一对应设置，单箭头型结构的顶点与对应内凹箭头的顶点连接，且单箭头型结构的角平分线与对应内凹箭头的角平分线重合；
每个周期性单元中的单箭头型结构与相邻周期性单元中的单箭头型结构相连，两个单箭头型结构相连呈菱形结构。
2.根据权利要求1所述的星型-菱形负泊松比结构，其特征在于，内凹箭头包括两个端部连接在一起的第一肋板。
3.根据权利要求1所述的星型-菱形负泊松比结构，其特征在于，单箭头型结构包括两个端部连接在一起的第二肋板。
4.根据权利要求1所述的星型-菱形负泊松比结构，其特征在于，四个内凹箭头完全相同。
5.根据权利要求1所述的星型-菱形负泊松比结构，其特征在于，两个内凹箭头连接形成的夹角角度α与单箭头型结构的角度β满足α+β＝90°。
6.根据权利要求1所述的星型-菱形负泊松比结构，其特征在于，单箭头型结构的胞壁长度l1与星型结构的胞壁长度l2相同。
7.根据权利要求1所述的星型-菱形负泊松比结构，其特征在于，单箭头型结构的胞壁厚度t1与星型结构的胞壁厚度t2相同。
8.根据权利要求1所述的星型-菱形负泊松比结构，其特征在于，所述星型-菱形负泊松比结构的材质为金属、PLA耗材或碳纤维。
9.根据权利要求1所述的星型-菱形负泊松比结构，其特征在于，所述星型-菱形负泊松比结构采用3D打印技术制备得到。
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