CN113958637B - 一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内凹型负泊松比超材料胞元，包括内凹六边形结构，内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁；两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连。还涉及上述胞元的蜂窝结构。支撑胞壁使得在胞元变形过程中会产生更多的塑性应变，提升了抗冲击性能。蜂窝结构刚度提高且维持较好的负泊松比特性，冲击载荷下结构的被动响应快。

Description

一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构

技术领域

本发明涉及机械超材料技术领域，尤其是一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构。

背景技术

超材料是一种自然界中没有的、利用天然材料进行人工设计的特殊结构，其通常由一特定的胞元周期排列而成。由于超材料的性质很大程度上决定于其基本胞元，因此通过对胞元结构的创新设计可以制造出各种性能优异的超材料。

负泊松比超材料是一种泊松比值为负的人造结构，与常规材料在受到轴向压缩时横向膨胀相反，负泊松比材料在受到轴向压缩表现为横向收缩。这种反常的力学性质使得结构具有更高的抗冲击、抗剪切与能量吸收性能。内凹六边形结构是一种典型的负泊松比超材料，其通过两侧斜边在压缩时向内弯曲实现负泊松比效应。

现有研究表明内凹六边形结构具有优异的能量吸收性能。但其存在如下问题：

现有技术中，内凹六边形因其内部空隙率较大，承受大载荷时变形较快，承载能力有限。因此有必要对其进一步的改善以提高其抗冲击性能。因此，需要对传统内凹六边形胞元进行创新设计，以在保持其负泊松比特性的同时，增强其承载能力和吸能性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构，解决了传统内凹六边形超材料胞元承载能力不足的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种内凹型负泊松比超材料胞元，包括内凹六边形结构，所述内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁；

所述两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，所述两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；

所述内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，所述支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成所述内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连。

进一步技术方案为：

所述支撑胞壁为圆弧形，所述圆弧的半径为R，其满足以下条件：

其中，H为两个水平胞壁沿竖直方向的间距，即胞元的高度；A为倾斜胞壁与水平胞壁之间的夹角，45°＜A＜90°。

所述圆弧的半径R为无限大时，所述支撑胞壁由圆弧形变为直线形，沿竖直方向连接于两个水平胞壁之间。

圆弧形的左右两个支撑胞壁的圆心分别位于内凹六边形结构外部左右两侧。

内凹六边形结构具有统一的壁厚t1，两个支撑胞壁具有统一的壁厚t2，t1等于或不等于t2。

各胞壁的截面均为矩形。

一种内凹型负泊松比超材料蜂窝结构，通过所述的内凹型负泊松比超材料胞元在平面内周期性排列，排列规则为：竖直方向上，上下两胞元共用水平胞壁；水平方向上，相邻两个胞元之间在竖直方向的间距为胞元高度的1/2，并通过倾斜胞壁对应相接。

本发明的有益效果如下：

支撑胞壁的设计在胞元变形过程中会产生更多的塑性应变，在承受冲击载荷时会吸收更多能量，提升了抗冲击性能。同时提高了蜂窝结构的刚度，且较好地保持了整体负泊松比特性，即提高结构刚度的同时保证负泊松比不降低、冲击载荷下结构的被动响应快。

支撑胞壁具有较大的可调半径范围，增强了结构的可调节能力，以适应不同的工程实际需要。

附图说明

图1为本发明实施例胞元结构的平面示意图。

图2为本发明实施例胞元结构的参数示意图。

图3为本发明实施例胞元结构的支撑胞壁为直线形结构的示意图。

图4为本发明实施例蜂窝结构的示意图。

图5为本发明实施例蜂窝结构受垂向载荷时的变形状态示意图。

图6为本发明实施例蜂窝结构受载变形模式图。

图7为内六边形蜂窝结构受载变形模式图。

图8为本发明实施例的蜂窝结构和内凹六边形蜂窝结构受载时的力-位移曲线图。

图中：1、水平胞壁一；2、水平胞壁二；3、倾斜胞壁一；4、倾斜胞壁二；5、倾斜胞壁三；6、倾斜胞壁四；7、支撑胞壁一；8、支撑胞壁二。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

本申请的一种内凹型负泊松比超材料胞元，包括内凹六边形结构和设置在内凹六边形内部的支撑胞壁；

内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁，两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；

内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连。

如图1所示，两个水平胞壁和四个倾斜胞壁分别为：水平胞壁一1、水平胞壁二2、倾斜胞壁一3、倾斜胞壁二4、倾斜胞壁三5、倾斜胞壁四6；两个支撑胞壁分别为：支撑胞壁一7、支撑胞壁二8。

其中，倾斜胞壁一3、倾斜胞壁二4一端相连，另一端分别与水平胞壁一1、水平胞壁二2的左端连接，倾斜胞壁一3、倾斜胞壁二4形成内凹折弯结构。

同样的，倾斜胞壁三5、倾斜胞壁四6一端相连也形成内凹折弯结构，另一端分别与水平胞壁一1、水平胞壁二2的右端连接。

支撑胞壁一7、支撑胞壁二8的上下两端分别与水平胞壁一1、水平胞壁二2相连，且连接点不与水平胞壁的端点重合。

具体的，支撑胞壁为圆弧形，圆弧的半径为R，其满足以下条件：

如图2所示，上式中，H为两个水平胞壁沿竖直方向的间距，即胞元的高度；A为倾斜胞壁与水平胞壁之间的夹角，45°＜A＜90°。四个倾斜胞壁与水平胞壁形成的内角A相等，且都小于90度，使水平胞壁在受压时，倾斜胞壁向内弯曲。

上式所限定的支撑胞壁的半径决定了在空间当中，支撑胞壁与水平胞壁之间的交点有且只有一个。

支撑胞壁一7、支撑胞壁二8的圆心分别位于内凹六边形结构外部的左、右两侧，以保证圆弧在受压时向内弯曲。

倾斜胞壁的长度为L由高度H与角度A共同决定，

如图2所示，内凹六边形结构具有统一的壁厚t1，两个支撑胞壁具有统一的壁厚t2，t1等于或不等于t2。

优选的，各胞壁的截面(外侧面)均为矩形，宽度为b，b的取值范围可根据实际工程应用的需要进行调整和确定。

作为一种实施形式，圆弧的半径R为无限大时，支撑胞壁一7、支撑胞壁二8由圆弧形变为直线形，沿竖直方向连接于两个水平胞壁之间，如图3所示。

本申请的一种内凹型负泊松比超材料蜂窝结构，通过上述的内凹型负泊松比超材料胞元在平面内周期性排列而成，具体结构为：

如图4所示，竖直方向上，上下两胞元对其，共用一个水平胞壁；水平方向上，相邻两胞元之间在竖直方向的间距为胞元高度的1/2，通过倾斜胞壁对应相接。

图4所示的蜂窝结构水平方向和垂直方向的胞元数目分别为15和16，胞元与胞元之间通过复制移动的方式进行组合，以保证每个胞元具有相同的结构与尺寸。竖直方向上，胞元的上下水平胞壁相互重合(即共用一个水平胞壁)；水平方向上，相邻的胞元之间错开H/2的垂直距离，且相对的倾斜胞壁相互重合(共用同一倾斜胞壁)。蜂窝结构的整体大小可以由胞元的长度与高度以及周期排列的数量进行调整，以适应不同的工程应用需求。

如图5所示，在受到竖直载荷时，胞元倾斜胞壁与圆弧胞壁会向内弯曲，从而使结构发生横向收缩。由图可知，当结构受载时，胞壁会发生明显的变形，这些变形会抵消冲击端的动能，从而起到缓冲吸能的作用。由于内凹结构的负泊松比特性，两边胞壁在蜂窝变形过程中会向内部收缩，增加了内部空间的整体密度，使结构能够承受进一步的冲击作用。

如图6所示，为本申请的内凹型负泊松比超材料蜂窝胞元受载变形模式图。图中上部为整体结构，下部为上部方框所圈定变形部分的放大图，由放大图可知，形变时，胞元内左右两侧的支撑胞壁之间变形成“工”字形腔体，多个“工”字形腔体形成了空气层，从而能够产生更多的塑性应变，提高形变过程中材料的缓冲性能，从而提高抗冲击能力。

作为对比，如图7所示，为常规内凹六边形组成的蜂窝结构在同等结构参数、受相同载荷冲击力时的变形模式图，其内六边形胞元内的空间压缩程度远大于本申请的结构，因此抗冲击效果较差。

如图8所示，给出了本发明蜂窝结构和常规内凹六边形蜂窝结构在10m/s冲击载荷下冲击端力-位移曲线图。在冲击仿真模拟时，通过壁厚参数的调整使两蜂窝结构的质量相等。可以看出，本发明提出的蜂窝结构冲击端受力显著高于传统内凹六边形蜂窝，进一步说明在相同的条件下，本申请结构能够吸收更多的能量。

本领域技术人员可以理解，通过调整胞元的内凹角度A、圆弧半径R、壁厚t1和t2，能够获得在较大范围内变化的杨氏模量与泊松比，可以通过增大厚度参数t1、t2、角度A或半径R来增强其杨氏模量；反之即可减小结构杨氏模量，从而调整胞元的面内性能。

Claims (2)

1.一种内凹型负泊松比超材料胞元，其特征在于，包括内凹六边形结构，所述内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁；

所述两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，所述两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；

所述内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，所述支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成所述内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连；

所述支撑胞壁为圆弧形，所述圆弧形的半径为R，其满足以下条件：

其中，H为两个水平胞壁沿竖直方向的间距，即胞元的高度；A为倾斜胞壁与水平胞壁之间的夹角，45°＜A＜90°；

圆弧形的左右两个支撑胞壁的圆心分别位于内凹六边形结构外部左右两侧；

内凹六边形结构具有统一的壁厚t1，两个支撑胞壁具有统一的壁厚t2，t1等于或不等于t2；

各胞壁的截面均为矩形。

2.一种内凹型负泊松比超材料蜂窝结构，其特征在于，通过如权利要求1所述的内凹型负泊松比超材料胞元在平面内周期性排列，排列规则为：竖直方向上，上下两胞元共用水平胞壁；水平方向上，相邻两个胞元之间在竖直方向的间距为胞元高度的1/2，并通过倾斜胞壁对应相接。