CN114038518B - 一种加固型负刚度超材料结构 - Google Patents

一种加固型负刚度超材料结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加固型负刚度超材料结构，涉及力学超材料技术领域，解决了负刚度超材料的结构不够简单且不能重复使用的技术问题，其技术方案要点是通过外圆柱面加内部周期结构的方式实现了空间的充分利用并提高了超材料结构的抗冲击能力和自身强度。同时，通过屈曲力位移表达式快速计算或验证超材料结构的负刚度和双稳态性能，缩短了加固型超材料结构抗冲击性能的设计时间，极大地提高了结构设计效率。

Description

一种加固型负刚度超材料结构
技术领域
本申请涉及力学超材料技术领域，尤其涉及一种加固型负刚度超材料结构。
背景技术
工业领域尤其是航空航天领域，对于轻量化、隔振、抗冲击等防护材料的要求越来越高。超材料是具有特殊的人工结构的特殊物理性质的材料，在力学超材料领域，负泊松比和负刚度超材料都具有较好的隔振抗冲击性能，因此超材料的研究具有非常重要的意义。
对于结构和材料方面，负刚度超材料主要有几种实现方式：受压和受弯梁结构、旋转的线性弹簧以及特殊的材料分布。特殊的材料分布结构会比较复杂，设计和制造都有一定难度；旋转的线性弹簧的应用场合有限，而梁结构具有结构简单、存在双稳态性能的优点，但当前基于梁结构的超材料未考虑空间的充分利用和自身强度。因此，亟需一种结构简单、可重复使用、适用于特殊场景的加固型超材料结构。
发明内容
本申请提供了一种加固型负刚度超材料结构，其技术目的是使负刚度超材料的结构简单且能重复使用。
本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种加固型负刚度超材料结构，包括外圆柱面和内部周期性结构，所述外圆柱面上设有周期性分布的第一梁单元，所述内部周期性结构上设有周期性分布的第二梁单元，所述第一梁单元和所述第二梁单元都包括两个对称的斜梁单元；
所述外圆柱面的上表面和下表面都为一个圆结构，所述第一梁单元周期性的分布在上表面和下表面的所述圆结构之间；
所述内部周期性结构包括6个60°的圆周阵列结构，每个所述圆周阵列结构都包括两个所述第二梁单元，且相邻的所述圆周阵列结构共用一个所述第二梁单元；每个所述第二梁单元的顶部设有上梁、底部设有下梁，所述第二梁单元设在所述上梁和所述下梁之间；
所述上梁和所述外圆柱面上表面的圆结构连接，且与上表面的圆结构位于同一平面内；
所述下梁和所述外圆柱面下表面的圆结构连接，且与下表面的圆结构位于同一平面内。
本申请的有益效果在于：(1)本申请通过外圆柱面加内部周期结构的方式实现了空间的充分利用并提高了超材料结构的抗冲击能力和自身强度。(2)本申请通过屈曲力位移表达式快速计算或验证超材料结构的负刚度和双稳态性能，缩短了加固型超材料结构抗冲击性能的设计时间，极大地提高了结构设计效率。
附图说明
图1为本申请所述加固型负刚度超材料结构的结构示意图；
图2为本申请所述加固型负刚度超材料结构的正视图；
图3为本申请所述加固型负刚度超材料结构的俯视图；
图4为本申请所述加固型负刚度超材料结构的剖面图；
图5为本申请所述加固型负刚度超材料结构的单元展示图；
图6为本申请所述加固型负刚度超材料结构的两类力位移曲线示意图；
图7为本申请所述加固型负刚度超材料结构的实例的力位移曲线图；
图中：1-外圆柱面；2-内部周期结构；3-第一梁单元；4-第二梁单元；5-斜梁单元；6-圆结构；7-上梁；8-下梁。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。
图1为本申请所述加固型负刚度超材料结构的结构示意图，结合图2、图3和图4，该加固型负刚度超材料结构，包括外圆柱面和内部周期性结构，所述外圆柱面上设有周期性分布的第一梁单元，所述内部周期性结构上设有周期性分布的第二梁单元，所述第一梁单元和所述第二梁单元都包括两个对称的斜梁单元。
所述外圆柱面的上表面和下表面都为一个圆结构，所述第一梁单元周期性的分布在上表面和下表面的所述圆结构之间。
所述内部周期性结构包括6个60°的圆周阵列结构，每个所述圆周阵列结构都包括两个所述第二梁单元，且相邻的所述圆周阵列结构共用一个所述第二梁单元；每个所述第二梁单元的顶部设有上梁、底部设有下梁，所述第二梁单元设在所述上梁和所述下梁之间。
所述上梁和所述外圆柱面上表面的圆结构连接，且与上表面的圆结构位于同一平面内；所述下梁和所述外圆柱面下表面的圆结构连接，且与下表面的圆结构位于同一平面内。
作为具体实施例地，外圆柱面上设有八个周期性分布的所述第一梁单元。
根据平面和曲面的斜梁单元在屈曲过程中的力位移来获取所述斜梁单元的结构参数，具体包括：
内部周期性结构的平面上：F3＝64π2(1-Δ)
外圆柱面的曲面上：
其中，F1/F3表示梁单元力f的归一化标量；Δ表示位移d的归一化标量；Q表示斜梁单元的高度与厚度的比值，如图5所示，图5中，h表示斜梁单元的高度，t表示斜梁单元的厚度。K1、K2为常数且与外圆柱面上的第一梁单元的数量相关。最终通过调整Q、K1、K2即能实现加固型负刚度超材料结构的性能调节。
为了验证本申请的加固型负刚度超材料结构的性能，将超材料结构在第一梁单元数为8，外圆柱面和内部周期结构的斜梁单元的Q值均为4.67的条件下，施加4mm的位移载荷进行仿真，力与位移的仿真结果如图6所示，力位移曲线如图7所示，可知结构存在明显的负刚度区，可以实现抗冲击的效果。同时，负刚度区力最小值小于零，为图6中的双稳态曲线，所以该加固型超材料结构在一定结构尺寸下存在双稳态特性。
作为具体实施例地，加固型负刚度超材料结构通过增材制造方式打印，且其材料为SLS(尼龙)。

Claims (4)

1.一种加固型负刚度超材料结构，其特征在于，包括外圆柱面和内部周期性结构，所述外圆柱面上设有周期性分布的第一梁单元，所述内部周期性结构上设有周期性分布的第二梁单元，所述第一梁单元和所述第二梁单元都包括两个对称的斜梁单元；
所述外圆柱面的上表面和下表面都为一个圆结构，所述第一梁单元周期性的分布在上表面和下表面的所述圆结构之间；
所述内部周期性结构包括6个60°的圆周阵列结构，每个所述圆周阵列结构都包括两个所述第二梁单元，且相邻的所述圆周阵列结构共用一个所述第二梁单元；每个所述第二梁单元的顶部设有上梁、底部设有下梁，所述第二梁单元设在所述上梁和所述下梁之间；
所述上梁和所述外圆柱面上表面的圆结构连接，且与上表面的圆结构位于同一平面内；
所述下梁和所述外圆柱面下表面的圆结构连接，且与下表面的圆结构位于同一平面内；
其中，根据平面和曲面的斜梁单元在屈曲过程中的力位移来获取所述斜梁单元的结构参数，具体包括：
内部周期性结构的平面上：
外圆柱面的曲面上：
其中，F1/F3表示梁单元力f的归一化标量；Δ表示位移d的归一化标量；Q表示斜梁单元的高度与厚度的比值；K1、K2为常数且与外圆柱面上的第一梁单元的数量相关；
通过调整Q、K1、K2即能实现加固型负刚度超材料结构的性能调节。
2.如权利要求1所述的加固型负刚度超材料结构，其特征在于，所述外圆柱面上设有八个周期性分布的所述第一梁单元。
3.如权利要求2所述的加固型负刚度超材料结构，其特征在于，当外圆柱面和内部周期性结构的斜梁单元的高厚比Q都为4.67时，得到双稳态的加固型负刚度超材料结构。
4.如权利要求3所述的加固型负刚度超材料结构，其特征在于，所述加固型负刚度超材料结构通过增材制造方式打印，且其材料为SLS。
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