CN114151489B - 多胞吸能体及多胞吸能体设计方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及负泊松比结构技术领域，尤其是涉及一种单胞吸能结构、多胞吸能体及多胞吸能体设计方法，应用于机器人的机械手，以及汽车减震等其它不同领域，对单胞吸能结构进行优化设计，通过将多个呈多边形的单体模块活动连接，并形成至少一个多边形空腔，这样以提高变形单元中的径向空间间隙，从而在第一平面和第二平面内的收缩或膨胀量变大，由于增大了径向空间间隙，因此有利于简化倾斜支撑单元，减少干涉，另外，第一层变形单元中的单体模块的旋转方向与第二层变形单元中的单体模块的旋转方向相反，利于单胞吸能结构的快速收缩或膨胀，从而在第一方向受载时，可以提高变形量，既而提高吸能效果。
Description
技术领域
本公开涉及负泊松比结构技术领域，尤其是涉及一种单胞吸能结构、多胞吸能体及多胞吸能体设计方法。
背景技术
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数。当普通材料在沿一个方向受到拉伸时，其横截面会随着拉伸而收缩，然而负泊松比材料在沿一个方向受到拉伸时将产生横向的膨胀。
受到负泊松比材料物理性能的启发，国内外研究人员研发许多具有负泊松比特性的结构，以应用于机器人的机械手，以及汽车减震等其它不同领域。负泊松比结构在受到轴向压缩时可以产生横向的收缩，或者在受到轴向拉伸时将产生横向的膨胀。由于这种特殊的变形模式，负泊松比结构(材料)具有更高的剪切强度、断裂韧性、缓冲性能以及良好的能量吸收能力，具有广阔的工业应用背景。通常，三维负泊松比结构由特殊形状的胞元通过周期性叠加构成。发明人发现：三维负泊松比结构胞元的径向空间间隙小，相邻倾斜杆连接相对密集，进而整体结构在轴向受载时，连接杆之间容易发生干涉，导致结构在受载时变形量不大，从而影响吸能效果。
发明内容
本公开提供了一种单胞吸能结构、多胞吸能体及多胞吸能体设计方法，以解决发明人认识到的三维负泊松比结构胞元的径向空间间隙小，相邻倾斜杆连接相对密集，进而整体结构在轴向受载时，连接杆之间容易发生干涉，导致结构在受载时变形量不大，从而影响吸能效果的技术问题。
本公开提供了一种单胞吸能结构，其包括：
第一层变形单元，所述第一层变形单元被配置为在受到沿第一方向的力时，能够在第一平面内收缩或膨胀，所述第一方向与所述第一平面呈角度设置；以及
第二层变形单元，所述第一层变形单元与所述第二层变形单元之间通过倾斜支撑单元活动连接；所述第二层变形单元被配置为在受到沿第一方向的力时，能够在第二平面内与所述第一层变形单元一同收缩或一同膨胀，第一平面与第二平面相平行；
其中，所述第一层变形单元和所述第二层变形单元均包括多个单体模块，多个所述单体模块之间活动连接，且多个所述单体模块之间围成至少一个多边形空腔，所述多边形空腔的边数不小于4，所述单体模块为多边形结构，所述多边形结构的边数与所述多边形空腔的边数相同；在受到沿第一方向的力时，所述第一层变形单元中的至少一个所述单体模块的旋转方向与所述第二层变形单元中的至少一个所述单体模块的旋转方向相反，且所述多边形空腔的体积能够发生变化。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一层变形单元中的所述单体模块的数量为9个，所述第一层变形单元中的多个所述单体模块呈矩阵排布。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述第二层变形单元中的所述单体模块的数量为9个，所述第二层变形单元中的多个所述单体模块呈矩阵排布。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一层变形单元中的多边形空腔的数量为4个；所述第二层变形单元中的多边形空腔的数量为4个。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述单体模块呈四边形。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述第一层变形单元中的多个所述单体模块之间相铰接，相邻的两个所述单体模块中，其中一个所述单体模块的角与另一个所述单体模块的角之间相铰接。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述第二层变形单元中的多个所述单体模块之间相铰接，相邻的两个所述单体模块中，其中一个所述单体模块的角与另一个所述单体模块的角之间相铰接。
在上述任一技术方案中，进一步地，所述倾斜支撑单元包括多个支撑件，所述支撑件的一端与所述第一层变形单元相铰接，所述支撑件相对的另一端与所述第二层变形单元相铰接。
本公开还提供了一种多胞吸能体，其包括多个任一所述的单胞吸能结构，多个所述单胞吸能结构之间活动连接。
本公开还提供了一种多胞吸能体设计方法，其包括：
将多个单体模块以矩阵的形式排列且分成两层，以形成第一层变形单元和第二层变形单元，所述第一层变形单元和所述第二层变形单元分别形成有多个多边形空腔；
将第一层变形单元中的相邻两个单体模块之间相铰接，以及将第二层变形单元中的相邻两个单体模块之间相铰接；
使第一层变形单元与第二层变形单元之间通过倾斜支撑单元相铰接，以形成多胞吸能体的一个单胞吸能结构，在所述单胞吸能结构受到沿第一方向的力时，所述第一层变形单元中的至少一个所述单体模块的旋转方向与所述第二层变形单元中的至少一个所述单体模块的旋转方向相反，且在第一平面内的所述第一层变形单元与在第二平面内的所述第二层变形单元一同收缩或一同膨胀，其中所述第一方向与所述第二平面呈角度设置，第一平面与第二平面相平行。
本公开的有益效果主要在于：
本公开提供的单胞吸能结构、多胞吸能体及多胞吸能体设计方法，应用于机器人的机械手，以及汽车减震等其它不同领域，对单胞吸能结构进行优化设计，通过将多个呈多边形的单体模块活动连接，并形成至少一个多边形空腔，这样以提高变形单元(第一层变形单元和第二层变形单元)中的径向空间间隙，从而在第一平面和第二平面(如径向平面)内的收缩或膨胀量变大，由于增大了径向空间间隙，因此有利于简化倾斜支撑单元，减少干涉，另外，第一层变形单元中的单体模块的旋转方向与第二层变形单元中的单体模块的旋转方向相反，利于单胞吸能结构的快速收缩或膨胀，从而在第一方向(如轴向)受载时，可以提高变形量，既而提高吸能效果。
应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
为了更清楚地说明本公开具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本公开的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个或多个实施例中的变形单元的示意图；
图2为一个或多个实施例提供的单胞吸能结构的示意图；
图3为一个或多个实施例中多胞吸能体的示意图；
图4为一个或多个实施例中单胞吸能结构的又一视角的示意图；
图5为图4中的单胞吸能结构的第一层变形单元的俯视图；
图6为图4中的单胞吸能结构的第二层变形单元的俯视图；
图7为一个或多个实施例中单胞吸能结构在轴向受载时的变形状态图；
图8为图7中的单胞吸能结构在轴向受载时的变形状态的正视图；
图9为图7中的单胞吸能结构在轴向受载时第一层变形单元的变形状态的俯视图；
图10为图7中的单胞吸能结构在轴向受载时第二层变形单元的变形状态的俯视图；
图11为一个或多个实施例中多胞吸能体在轴向受载时的变形状态图；
图12为图11中的多胞吸能体在轴向受载时的变形状态的正视图；
图13为图11中的多胞吸能体在轴向受载时的变形状态的俯视图；
图14为单胞吸能结构的局部结构示意图；
图15为ABCD平行四边形机构的4条边与ABC'D'平行四边形机构的4条边在一设定平面的投影的示意图；
图16为ABCD的CD边平行四边形机构与ABC'D'平行四边形机构C'D'边之间的结构计算简图。
图标：
1-第一模块；2-第二模块；3-第三模块；4-第四模块；5-第五模块；6-第六模块；7-第七模块；8-第八模块；9-第九模块；10-第十模块；11-第十一模块；12-第十二模块；13-第十三模块；14-第十四模块；15-第十五模块；16-第十六模块；17-第十七模块；18-第十八模块；19-第一倾斜支撑；20-第二倾斜支撑；21-第三倾斜支撑；22-第四倾斜支撑；23-第一柔性铰链；24-第二柔性铰链；101-第一层变形单元；102-倾斜支撑单元；103-第二层变形单元；104-第一四边形机构；105-第二四边形机构；106-第三四边形机构；107-第四四边形机构；108-第五四边形机构；109-第六四边形机构；110-第七四边形机构；111-第八四边形机构；201-单体模块；202-多边形空腔；203-通孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本公开的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
参见图1、图2、图4、图5和图6所示，在一个或多个实施例中，提供的单胞吸能结构，其包括两个变形单元，变形单元为层结构，两个变形单元之间相间隔分布；两个变形单元分别为第一层变形单元101和第二层变形单元103。第一层变形单元101被配置为在受到沿第一方向的力时，能够在第一平面内收缩或膨胀，第一方向与第一平面呈角度设置；第一层变形单元101与第二层变形单元103之间通过倾斜支撑单元102活动连接；第二层变形单元103被配置为在受到沿第一方向的力时，能够在第二平面内与第一层变形单元101一同收缩或一同膨胀，第一平面与第二平面相平行；其中，第一层变形单元101和第二层变形单元103均包括多个单体模块201，多个单体模块201之间活动连接，且多个单体模块201之间围成至少一个多边形空腔202，多边形空腔202的边数不小于4，单体模块201为多边形结构，多边形结构的边数与多边形空腔202的边数相同；在受到沿第一方向的力时，第一层变形单元101中的至少一个单体模块201的旋转方向与第二层变形单元103中的至少一个单体模块201的旋转方向相反，且所述多边形空腔202的体积能够发生变化。
参见图7至图10所示，在一些实施例中，第一层变形单元101和第二层变形单元103同收缩时，多边形空腔202的体积逐渐减小；在第一层变形单元101和第二层变形单元103同膨胀时，多边形空腔202的体积逐渐增大。第一方向与第一平面相垂直，第一方向为单胞吸能结构的轴向方向，第二平面与单胞吸能结构的径向方向相平行。在受到第一方向的力时，第一层变形单元101与第二层变形单元103通过倾斜支撑单元102联动，且第一层变形单元101与第二层变形单元103一同收缩或一同膨胀，即当第一层变形单元101在第一平面内收缩时，第二层变形在第二平面内收缩，并且第一层变形单元101中的至少一个单体模块201的旋转方向与第二层变形单元103中的至少一个单体模块201的旋转方向相反；当第一层变形单元101在第一平面内膨胀时，第二层变形在第二平面内膨胀，并且第一层变形单元101中的至少一个单体模块201的旋转方向与第二层变形单元103中的至少一个单体模块201的旋转方向相反。单体模块201呈平面板状，且为多边形结构。单体模块201的表面具有通孔203，通过设置通孔203利于减轻单体模块201的重量，通孔203的数量可以为一个或多个，当设置一个时，该通孔203可以设置于单体模块201的几何中心，例如重心。
至少一个实施例提供的单胞吸能结构，对单胞吸能结构进行优化设计，通过将多个呈多边形的单体模块201活动连接，并形成至少一个多边形空腔202，这样以提高变形单元(第一层变形单元101和第二层变形单元103)中的径向空间间隙，从而在第二平面(如径向平面)内的收缩或膨胀量变大，由于增大了径向空间间隙，因此有利于简化倾斜支撑单元102，减少干涉，另外，第一层变形单元101中的单体模块201的旋转方向与第二层变形单元103中的单体模块201的旋转方向相反，利于单胞吸能结构的快速收缩或膨胀，从而在第一方向(如轴向)受载时，可以提高变形量，既而提高吸能效果。
在一些实施例中，单体模块201呈四边形，例如，单体模块201基本呈正方形。
在一些实施例中，第一层变形单元101中的单体模块201的数量为9个，第一层变形单元101中的多个单体模块201呈矩阵排布。通过设置9个单体模块201利于实现在第一层变形单元101收缩后，第一层变形单元101仍基本呈多边形。
在一个实施例中，第一层变形单元101中的9个单体模块201，形成4个多边形空腔202，多边形空腔202为四边形空腔；第一层变形单元101中的多个单体模块201之间相铰接，相邻的两个单体模块201中，其中一个单体模块201的角与另一个单体模块201的角之间相铰接。9个单体模块201分别为第一模块1、第二模块2、第三模块3、第四模块4、第五模块5、第六模块6、第七模块7、第八模块8和第九模块9；第二模块2、第三模块3、第四模块4、第五模块5、第六模块6、第七模块7、第八模块8和第九模块9依次连接围成第一环状结构，第一模块1位于第一环状结构中；第一模块1的四个角分别与第二模块2的其中一个角、第四模块4的其中一个角、第六模块6的其中一个角和第九模块9的其中一个角相铰接。第三模块3相邻的两个角分别与第二模块2的一个角和第四模块4的一个角相铰接；第五模块5相邻的两个角分别与第四模块4的又一个角和第六模块6的一个角相铰接；第七模块7相邻的两个角分别与第六模块6的又一个角和第八模块8的一个角相铰接；第九模块9相邻的两个角分别与第八模块8的又一个角和第二模块2的又一个角相铰接。第二模块2的三个角分别与其自身相邻的第一模块1、第三模块3和第九模块9相铰接；第四模块4的三个角分别与其自身相邻的第一模块1、第三模块3和第五模块5相铰接；第六模块6的三个角分别与其自身相邻的第一模块1、第五模块5和第七模块7相铰接；第八模块8的三个角分别与其自身相邻的第一模块1、第七模块7和第九模块9相铰接。第一层变形单元101的4个多边形空腔202使得第一层变形单元101形成四个四边形机构，四边形机构呈平行四边形，四个四边形机构分别为第一四边形机构104、第二四边形机构105、第三四边形机构106和第四四边形机构107；第一四边形机构104主要由第一模块1、第二模块2、第三模块3和第四模块4构成，并且围成一四边形空腔；第二四边形机构105主要由第一模块1、第四模块4、第五模块5和第六模块6构成，并且围成一四边形空腔；第三四边形机构106主要由第一模块1、第六模块6、第七模块7和第八模块8构成，并且围成一四边形空腔；第四四边形机构107主要由第一模块1、第八模块8、第九模块9和第二模块2构成，并且围成一四边形空腔。
在一些实施例中，第二层变形单元103中的单体模块201的数量为9个，第二层变形单元103中的多个单体模块201呈矩阵排布。通过设置9个单体模块201利于实现在第二层变形单元103收缩后，第二层变形单元103仍基本呈多边形。
在一个实施例中，第二层变形单元103中的9个单体模块201，形成4个多边形空腔202，多边形空腔202为四边形空腔；第二层变形单元103中的多个单体模块201之间相铰接，相邻的两个单体模块201中，其中一个单体模块201的角与另一个单体模块201的角之间相铰接。9个单体模块201分别为第十模块10、第十一模块11、第十二模块12、第十三模块13、第十四模块14、第十五模块15、第十六模块16、第十七模块17和第十八模块18；第十一模块11、第十二模块12、第十三模块13、第十四模块14、第十五模块15、第十六模块16、第十七模块17和第十八模块18依次连接围成第一环状结构，第十模块10位于第一环状结构中；第十模块10的四个角分别与第十一模块11的其中一个角、第十三模块13的其中一个角、第十五模块15的其中一个角和第十八模块18的其中一个角相铰接。第十二模块12相邻的两个角分别与第十一模块11的一个角和第十三模块13的一个角相铰接；第十四模块14相邻的两个角分别与第十三模块13的又一个角和第十五模块15的一个角相铰接；第十六模块16相邻的两个角分别与第十五模块15的又一个角和第十七模块17的一个角相铰接；第十八模块18相邻的两个角分别与第十七模块17的又一个角和第十一模块11的又一个角相铰接。第十一模块11的三个角分别与其自身相邻的第十模块10、第十二模块12和第十八模块18相铰接；第十三模块13的三个角分别与其自身相邻的第十模块10、第十二模块12和第十四模块14相铰接；第十五模块15的三个角分别与其自身相邻的第十模块10、第十四模块14和第十六模块16相铰接；第十七模块17的三个角分别与其自身相邻的第十模块10、第十六模块16和第十八模块18相铰接。第二层变形单元103的4个多边形空腔202使得第二层变形单元103形成四个四边形机构，四边形机构呈平行四边形，四个四边形机构分别为第五四边形机构108、第六四边形机构109、第七四边形机构110和第八四边形机构111；第五四边形机构108主要由第十模块10、第十一模块11、第十二模块12和第十三模块13构成，并且围成一四边形空腔；第六四边形机构109主要由第十模块10、第十三模块13、第十四模块14和第十五模块15构成，并且围成一四边形空腔；第七四边形机构110主要由第十模块10、第十五模块15、第十六模块16和第十七模块17构成，并且围成一四边形空腔；第八四边形机构111主要由第十模块10、第十七模块17、第十八模块18和第十一模块11构成，并且围成一四边形空腔。
在至少一个实施例中，通过第一层变形单元101中的9个单体模块201，形成4个多边形空腔202；第二层变形单元103中的9个单体模块201，形成4个多边形空腔202，提供了较大的径向空间间隙，这样第一层变形单元101和第二层变形单元103各自在径向平面内的收缩或膨胀量较大。
在一些实施例中，倾斜支撑单元102包括多个支撑件，支撑件的一端与第一层变形单元101相铰接，支撑件相对的另一端与第二层变形单元103相铰接。通过多个支撑件，并配合多边形空腔202，以利于简化倾斜支撑单元102，减少干涉。
在一个实施例中，倾斜支撑单元102中的支撑件分别与第一层变形单元101和第二层变形单元103之间呈角度设置，这样利于实现第一层变形单元101与第二层变形单元103在受到轴向力时，第一层变形单元101和第二层变形单元103可以收缩或膨胀。支撑件为板状结构；倾斜支撑单元102中的多个支撑件分别为第一倾斜支撑19、第二倾斜支撑20、第三倾斜支撑21、第四倾斜支撑22；第一层变形单元101与第二层变形单元103的结构相同，且第一层变形单元101中的单体模块201的旋转方向与第二层变形单元103中的单体模块201的旋转方向相反，第一层变形单元101与第二层变形单元103之间通过第一倾斜支撑19、第二倾斜支撑20、第三倾斜支撑21、第四倾斜支撑22连接。第三模块3与第一倾斜支撑19的一端相铰接，第十二模块12与第一倾斜支撑19的另一端相铰接；第五模块5与第二倾斜支撑20的一端相铰接，第十四模块14与第二倾斜支撑20的另一端相铰接；第七模块7与第三倾斜支撑21的一端相铰接，第十六模块16与第三倾斜支撑21的另一端相铰接；第九模块9与第四倾斜支撑22的一端相铰接，第十八模块18与第四倾斜支撑22的另一端相铰接；对于单胞吸能结构在轴向受载时，载荷通过单体模块201的表面传递到第一倾斜支撑19、第二倾斜支撑20、第三倾斜支撑21、第四倾斜支撑22；第一倾斜支撑19至第四倾斜支撑22在轴向受载下压的同时，使第十二模块12、第十四模块14、第十六模块16、第十八模块18均以顺时针方向同步旋转，同时，第三模块3、第五模块5、第七模块7、第九模块9均以逆时针方向同步旋转。所以单胞吸能结构在受到轴向压缩过程中均会产生径向收缩运动，具有负泊松比特性。需要说明的是，在一些其它实施方式中，在第三模块3与第十二模块12之间采用两个平行设置有第一倾斜支撑19相铰接；第五模块5与第十四模块14之间采用两个平行设置的第二倾斜支撑20相铰接；第七模块7与第十六模块16之间采用两个平行设置的第三倾斜支撑21相铰接；第九模块9与第十八模块18之间采用两个平行设置的第四倾斜支撑22的相铰接，这样可以提高吸能性能。
参见图14至图16所示，在一个实施例中，设单胞吸能结构的两个变形单元中上下对应的两个呈平行四边形的四边形机构分别为ABCD平行四边形机构与ABC'D'平行四边形机构，ABCD平行四边形机构的4条边与ABC'D'平行四边形机构的4条边在一设定平面的投影分别为平行四边形ABCD和平行四边形ABC'D'，设定平面与变形单元相平行；平行四边形ABCD和平行四边形ABC'D'为全等平行四边形，每个平行四边形的边长均相等，且边长为a。假若以AB边作为固定边，同时旋转与AB边相邻的两边，即：AD边和BC'边，就是说使AD边在ABCD平行四边形机构中以及使BC'边在ABC'D'平行四边形机构中同时旋转；而CD边、C'D'边始终平行于AB边作相反方向的同步运动。同理，当以AB边作为固定边，同时驱动CD边在ABCD平行四边形机构中、C'D'边在ABC'D'平行四边形机构中作相反方向运动，而AD'边在ABC'D'平行四边形机构中、BC边在ABCD平行四边形机构中以相反的方向作同步旋转运动。O点为D点在面ABC'D'上的投影点，设支撑件的长度为l，支撑件连接的上下两个变形单元之间的高度为h，平行四边形ABCD的一个内角∠ABC＝θ，ABCD平行四边形机构与ABC'D'平行四边形机构中之间的角则：
OC′＝a+2acosθ，
在一些实施例中，第一层变形单元101中的9个单体模块201之间通过第一铰链相铰接，第二层变形单元103中的9个单体模块201之间通过第一铰链相铰接。支撑件的一端与第一层变形单元101之间通过第二铰链相铰接。支撑件的另一端与第二层变形单元103之间通过第二铰链相铰接。第一铰链和第二铰链的材质均为TPU材质。需要说明的是，第一铰链和第二铰链可以具有柔性，这样可以提高单胞吸能结构的吸能性能。
在一些实施例中，单体模块201的材质为光敏树脂。
参见图3、图11至图13所示，在一个或多个实施例中，提供的多胞吸能体，其包括多个至少一个实施例提供的单胞吸能结构，多个单胞吸能结构之间活动连接。多个单胞吸能结构在正交方向上呈镜像设置，也就是说，多个单胞吸能结构在水平和竖直方向上呈镜像设置，可形成三维负泊松比的多胞吸能体。多胞吸能体中，任一个呈层状的变形单元的旋转方向与其周围相邻的任一个变形单元的旋转方向相反。在一个实施例中，多胞吸能体可以看作是，一个单胞吸能结构以第一直线为对称轴镜像设置后，形成两个单胞吸能结构，再将该两个单胞吸能结构以第二直线为对称轴镜像设置后，形成四个单胞吸能结构。四个单胞吸能结构可以作为一个整体，再通过镜像设置形成16个单胞吸能结构形成的多胞吸能体，对于包括16个以上的单胞吸能体，以此类推。在至少一个实施例中，任一单胞吸能结构在受到轴向压缩过程中均会产生径向收缩运动，具有负泊松比特性；由于多胞吸能体中若干单胞吸能结构在水平和竖直方向上呈镜像设置，若干个相同的单胞吸能结构在轴向受载时会产生同步变形，且整体结构也具有负泊松比特性。需要说明的是，当两个单胞吸能结构在竖直方向排布时，两个单胞吸能结构可以共用一个变形单元。
在一个或多个实施例中，还提供的多胞吸能体设计方法，其包括：
将多个单体模块201以矩阵的形式排列且分成两层，以形成第一层变形单元101和第二层变形单元103，第一层变形单元101和第二层变形单元103分别形成有多个多边形空腔202；将第一层变形单元101中的相邻两个单体模块201之间相铰接，以及将第二层变形单元103中的相邻两个单体模块201之间相铰接；使第一层变形单元101与第二层变形单元103之间通过倾斜支撑单元102相铰接，以形成多胞吸能体的一个单胞吸能结构，在单胞吸能结构受到沿第一方向的力时，第一层变形单元101中的至少一个单体模块201的旋转方向与第二层变形单元103中的至少一个单体模块201的旋转方向相反，且在第一平面内的第一层变形单元101与在第二平面内的第二层变形单元103一同收缩或一同膨胀，其中第一方向与第二平面呈角度设置，第一平面与第二平面相平行，将多个单胞吸能结构在正交方向上呈镜像设置以形成多胞吸能体。在一个实施例中，单胞吸能结构采用3D打印制作。
在至少一个实施例中，单胞吸能结构、多胞吸能体及多胞吸能体设计方法，在采用3D打印的多胞吸能体中，三维负泊松比的多胞吸能体在轴向受载的过程中，柔性的第一铰链和第二铰链产生明显的弯曲变形，对冲击能量吸收具有显著的优势。倾斜支撑单元102提高了单胞吸能结构的抗弯性能，从而增强了多胞吸能体的支撑性。由于变形单元中的单体模块201能够旋转，且单胞吸能结构中的两个变形单元通过支撑件的连接跨度较大，整体单胞吸能结构在压缩过程中变形单元产生径向收缩且支撑件在被压缩过程中不易发生干涉，使单胞吸能结构在轴向受载时产生更大的变形，从而增强了多胞吸能体的吸能效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的范围。
Claims (2)
1.一种多胞吸能体，其特征在于，包括多个单胞吸能结构，多个所述单胞吸能结构之间活动连接；多个所述单胞吸能结构在水平和竖直方向上呈镜像设置，以形成三维负泊松比的多胞吸能体；所述单胞吸能结构包括：两个变形单元，所述变形单元为层结构，两个所述变形单元之间相间隔分布；两个所述变形单元分别为第一层变形单元和第二层变形单元；
所述第一层变形单元被配置为在受到沿第一方向的力时，能够在第一平面内收缩或膨胀，所述第一方向与所述第一平面呈角度设置；
所述第一层变形单元与所述第二层变形单元之间通过倾斜支撑单元活动连接；所述第二层变形单元被配置为在受到沿第一方向的力时，能够在第二平面内与所述第一层变形单元一同收缩或一同膨胀，第一平面与第二平面相平行；
其中，所述第一层变形单元和所述第二层变形单元均包括多个单体模块，多个所述单体模块之间活动连接，且多个所述单体模块之间围成至少一个多边形空腔，所述多边形空腔的边数不小于4，所述单体模块为多边形结构，所述多边形结构的边数与所述多边形空腔的边数相同；
在受到沿第一方向的力时，所述第一层变形单元中的至少一个所述单体模块的旋转方向与所述第二层变形单元中的至少一个所述单体模块的旋转方向相反，且所述多边形空腔的体积能够发生变化；所述多胞吸能体中，任一个呈层状的所述变形单元的旋转方向与其周围相邻的任一个所述变形单元的旋转方向相反；
所述第一层变形单元中的所述单体模块的数量为9个，所述第一层变形单元中的多个所述单体模块呈矩阵排布，呈矩阵排布的所述第一层变形单元具有4个角；
所述第二层变形单元中的所述单体模块的数量为9个，所述第二层变形单元中的多个所述单体模块呈矩阵排布，呈矩阵排布的所述第二层变形单元具有4个角；
所述第一层变形单元中的多边形空腔的数量为4个；所述第二层变形单元中的多边形空腔的数量为4个；
所述单体模块呈四边形；
所述第一层变形单元中的多个所述单体模块之间相铰接，相邻的两个所述单体模块中，其中一个所述单体模块的角与另一个所述单体模块的角之间相铰接；
所述第二层变形单元中的多个所述单体模块之间相铰接，相邻的两个所述单体模块中，其中一个所述单体模块的角与另一个所述单体模块的角之间相铰接；
所述倾斜支撑单元仅包括4个支撑件，所述支撑件的一端与所述第一层变形单元相铰接，所述支撑件相对的另一端与所述第二层变形单元相铰接，所述支撑件为板状结构，所述倾斜支撑单元中的支撑件分别与所述第一层变形单元和所述第二层变形单元之间呈角度设置，所述第一层变形单元中四个位于角处的所述单体模块与所述第二层变形单元中四个位于角处的所述单体模块一一对应设置，且对应倾斜连接有所述支撑件；
水平相邻的两个单胞吸能结构中，其中一个所述单胞吸能结构中的所述第一层变形单元仅通过位于角处的所述单体模块的一边与另一个所述单胞吸能结构中的所述第一层变形单元的中位于角处的所述单体模块的一边相连接，其中一个所述单胞吸能结构中的所述第二层变形单元仅通过位于角处所述单体模块的一边与另一个所述单胞吸能结构中的所述第二层变形单元的中位于角处的所述单体模块的一边相连接。
2.一种多胞吸能体设计方法，其特征在于，包括：
将多个单体模块以矩阵的形式排列且分成两层，以形成第一层变形单元和第二层变形单元，所述第一层变形单元和所述第二层变形单元分别形成有多个多边形空腔；
将第一层变形单元中的相邻两个单体模块之间相铰接，以及将第二层变形单元中的相邻两个单体模块之间相铰接；
使第一层变形单元与第二层变形单元之间通过倾斜支撑单元相铰接，以形成多胞吸能体的一个单胞吸能结构，在所述单胞吸能结构受到沿第一方向的力时，所述第一层变形单元中的至少一个所述单体模块的旋转方向与所述第二层变形单元中的至少一个所述单体模块的旋转方向相反，且在第一平面内的所述第一层变形单元与在第二平面内的所述第二层变形单元一同收缩或一同膨胀，其中所述第一方向与所述第二平面呈角度设置，第一平面与第二平面相平行；将多个单胞吸能结构在正交方向上呈镜像设置以形成多胞吸能体，所述多胞吸能体中，任一个呈层状的所述变形单元的旋转方向与其周围相邻的任一个所述变形单元的旋转方向相反；
其中，所述第一层变形单元中的所述单体模块的数量为9个，所述第一层变形单元中的多个所述单体模块呈矩阵排布，呈矩阵排布的所述第一层变形单元具有4个角；
所述第二层变形单元中的所述单体模块的数量为9个，所述第二层变形单元中的多个所述单体模块呈矩阵排布，呈矩阵排布的所述第二层变形单元具有4个角；
所述第一层变形单元中的多边形空腔的数量为4个；所述第二层变形单元中的多边形空腔的数量为4个；
所述单体模块呈四边形；
所述第一层变形单元中的多个所述单体模块之间相铰接，相邻的两个所述单体模块中，其中一个所述单体模块的角与另一个所述单体模块的角之间相铰接；
所述第二层变形单元中的多个所述单体模块之间相铰接，相邻的两个所述单体模块中，其中一个所述单体模块的角与另一个所述单体模块的角之间相铰接；
所述倾斜支撑单元仅包括4个支撑件，所述支撑件的一端与所述第一层变形单元相铰接，所述支撑件相对的另一端与所述第二层变形单元相铰接，所述支撑件为板状结构，所述倾斜支撑单元中的支撑件分别与所述第一层变形单元和所述第二层变形单元之间呈角度设置，所述第一层变形单元中四个位于角处的所述单体模块与所述第二层变形单元中四个位于角处的所述单体模块一一对应设置，且对应倾斜连接有所述支撑件；
水平相邻的两个单胞吸能结构中，其中一个所述单胞吸能结构中的所述第一层变形单元仅通过位于角处的所述单体模块的一边与另一个所述单胞吸能结构中的所述第一层变形单元的中位于角处的所述单体模块的一边相连接，其中一个所述单胞吸能结构中的所述第二层变形单元仅通过位于角处所述单体模块的一边与另一个所述单胞吸能结构中的所述第二层变形单元的中位于角处的所述单体模块一边相连接。
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