CN114161778A - 一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，其特征在于，包括：上面板、夹芯、下面板；所述夹芯置于上面板和下面板之间，固定连接上面板和下面板；所述夹芯层为双箭头型负泊松比蜂窝层状，由双箭头型负泊松比胞元规则排列、垂直布置与上面板和下面板之间构成；本发明提供的一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，由上、下铝合金面板，中间双箭头型负泊松比蜂窝夹芯层组成，运用双箭头型结构作为胞元，此双箭头型结构具有负泊松比效应，在其受压时，箭头两尾端向内侧靠拢，相较于其传统的层板夹层形式，缓冲、减振、抗冲击的性能更强。

Description

一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板
技术领域
本发明属于蜂窝夹层结构技术领域，具体涉及一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板。
背景技术
在自然界中，绝大部分的天然材料都是正泊松比的，所谓的泊松比表示在弹性加载方向上材料的横向应变(εx)与纵向应变(εy)的比值的负数，即v＝-εx/εy，负泊松比超材料在受到轴向拉伸(或压缩)时，其垂直方向有膨胀(或收缩)的力学特性。自1897年有学者首次制得具有特殊微观结构的负泊松比材料以来，对于负泊松比超材料结构的研究也开始蓬勃发展，负泊松比超材料因为其特有物理、机械和变形机制，使得其具有比正泊松比材料更优异的吸能、抗冲击性、缓冲，减振等性能，从负泊松比超材料发展以来，该领域发展就一直受到其加工制造技术的限制。
近几年随着加工制造技术特别时增材加工技术的发展，越来越多的负泊松比超材料结构可以通过增材制造技术加工出来，其性能也加以被验证和应用，使得负泊松比超材料结构领域也得到更好的发展。目前，负泊松比超材料在航天，汽车，船舶等方面都具有广泛发应用，同时，将负泊松比结构和其他领域结合起来实现结构的设计并应用到实践中也成为众多学者研究的重点。
蜂窝夹层板具有质量轻、相对密度小、比刚度大、比强度高、稳定性好、隔振强、隔音好等特点，在航空航天，汽车工业，包装运输等行业有较为广泛的应用，最为常见的是以正六边形蜂窝作为夹芯层的夹层板，已经有多位学者证明天然的正六边形蜂窝结构在同等质量下的容积最大，而且刚度最好。随着众多学者对夹芯层的研究，已经有很多学者将负泊松比结构应用于蜂窝夹层板的夹芯层中。
随着汽车的普及，汽车的安全也越来越受到大家的关注，一方面，汽车的设计需要考虑到轻量化来达到绿色设计的要求，另一方面，还需要考虑防撞、抗冲击等性能来保证其安全性。但是羡慕前的很多层板结构无法兼顾其抗冲击能力和轻量化，使得追求轻量化的汽车防撞安全性能不高，而追求高强度抗冲击的汽车整体自身较重，燃油经济性不佳。
因此，设计新的结构使得夹层板能够更有效的吸收冲撞带来的能量，同时保证其轻量化是现目前亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明设计了一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，重新构建其层板内部结构，以解决汽车设计以及生产制造中安全性和轻量化无法兼顾的问题。
为了达到解决上述技术问题的技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，其特征在于，包括：上面板、夹芯、下面板；
所述夹芯置于上面板和下面板之间，固定连接上面板和下面板；
所述夹芯层为双箭头型负泊松比蜂窝层状，由双箭头型负泊松比胞元规则排列、垂直布置与上面板和下面板之间构成；
进一步的，所述双箭头型负泊松比胞元由两个张开角度不同的箭头尾部连接构成，成体为条状结构，所述角度较小的箭头包覆于角度较大的箭头内部；
进一步的，所述双箭头型负泊松比胞元的箭头头部为竖直的平面结构，其尾端为相互垂直的水平面和竖直平面结构；
进一步的，所述双箭头型负泊松比胞元的箭头头部连接构成一承载单元，所述该承载单元的箭头尾部连接构成夹芯层主体；
进一步的，所述承载单元的双箭头型负泊松比胞元尾部分别固定连接上面板、下面板，其尾部两点连线垂直于上面板和下面板平面；
进一步的，所述承载单元由四个双箭头型负泊松比胞元头部连接且相邻个体所在平面相互垂直构成；
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，由上、下铝合金面板，中间双箭头型负泊松比蜂窝夹芯层组成，运用双箭头型结构作为胞元，此双箭头型结构具有负泊松比效应，在其受压时，箭头两尾端向内侧靠拢，相较于其传统的层板夹层形式，缓冲、减振、抗冲击的性能更强；
2、该装置中将胞元组合成承载单元(“十字单元”)，使得每个十字单元在受到垂直于板的方向的载荷时，在三维空间内的其他两个方向上都具有负泊松比效应；使得夹芯层在承载外力时具有更好的结构聚拢，更好的抵抗冲击，使得该夹芯层具有更好的能量吸收的能力、更强的缓冲、减振的能力；
3、将该夹层结构运用到汽车车体中或吸能盒上，一方面能减轻汽车整体的重量，保证其轻量化构建；另一方面，使汽车在受到外部的冲击等载荷时，能够在车体和吸能盒上消耗更多的冲击能量，使汽车的被动安全更可靠，提升汽车的安全性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板的整体结构示意图；
图2是附图1中部位Ⅲ处的局部放大示意图；
图3是一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板的双箭头型负泊松比胞元及其附属结构示意图；
图4是一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板的双箭头型负泊松比胞元的主视图；
图5是一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板的双箭头型负泊松比胞元的变形机理演示图；
图6是一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板的承载单元及其附属结构示意图；
图7是一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板的承载单元的俯视图；
图8是一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板的夹芯层及其附属结构示意图；
图9是一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板的夹芯层俯视图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-上层板，2-夹芯层，3-下层板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参阅图1至图9所示，一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，其特征在于，包括：上面板1、夹芯层2、下面板3；
所述夹芯层2置于上面板和下面板之间，固定连接上面板和下面板；
所述夹芯层2为双箭头型负泊松比蜂窝层状，由双箭头型负泊松比胞元规则排列、垂直布置于上面板1和下面板3之间构成；夹芯层2的双箭头型设计，在受到冲击时其缓冲、抗震、抗冲击性能相较于一些传统的夹层结构更强，在运用于汽车中，能更好的溃缩、吸能，同时兼顾轻量化设计的原则，减轻汽车整备质量，有益于提高燃油经济性；
所述双箭头型负泊松比胞元由两个张开角度不同的箭头尾部连接构成，成体为条状结构，所述角度较小的箭头包覆于角度较大的箭头内部；如附图4、附图5所示，由于两个箭头型的结构都是内凹的结构，故当所述的双箭头型负泊松比胞元结构受到Y方向的拉伸或压缩载荷时，两个箭头的角度也会相应的增大或减小，从而使得结构在X方向上的也发生相应的膨胀或收缩；同理当X方向受到拉伸或压缩载荷时，Y方向上也会发生相应的膨胀和收缩；当图5中前一个双箭头型负泊松比胞元受到竖直压缩的载荷后，变形为后一个胞元的形状，在这一个变形过程中θ1减小为θ2，Y方向的尺寸从Y1减小到Y2，X方向的尺寸也由X1减小到X2，实现在压缩过程的负泊松比，拉伸过程为压缩过程的反向过程；
无论在竖直方向还是在水平方向受到变形载荷的作用，所述的双箭头型负泊松比胞元在平面内两个方向上都有负泊松比的效应，具有更强的吸能溃缩能力；
在夹芯层2受压，内部材料聚拢时使得板能够拥有更高的强度，聚拢的过程中，箭头角度的变小过程使得夹层板具有缓冲、减振效应，同时消耗外部冲击载荷带来的能量，使未直接承受冲击端面板受到冲击的影响更小；
所述双箭头型负泊松比胞元的箭头头部为竖直的平面结构，其尾端为相互垂直的水平面和竖直平面结构，方便其头部对接或是，上下受压；
所述双箭头型负泊松比胞元的箭头头部连接构成一承载单元，所述该承载单元的箭头尾部连接构成夹芯层2主体；此承载单元为一三维的空间层面的构件，在其箭头尾部连接后构成蜂窝状的夹芯层整体，如图9所示，从上往下观察，其为正方形的蜂窝结构，于侧面观察，其也是类蜂窝的中空结构，相对于传统的蜂窝夹层板，该夹层板的夹芯层2可以看作是由杆件连接的，其中间有更多的孔隙，整备质量更轻；相较于传统六边形蜂窝夹层板，该夹层板的夹芯层2的相对密度减小了48.7％，结合上述的负泊松比特性，使得该夹层板具有足够的强度和刚度；
通过对所述的双箭头型负泊松比蜂窝夹层板进行冲击仿真模拟，将其与传统正六边形蜂窝夹层板进行对比，结果可以得到双箭头型负泊松比蜂窝夹层板具有更好的致密性，有更高的能量吸收效果，与传统正六边形蜂窝夹层板相比，夹芯层2受冲击后吸收的能量提高了46.6％；
所述承载单元的双箭头型负泊松比胞元尾部分别固定连接上面板、下面板，其尾部两点连线垂直于上面板1和下面板3平面；
所述承载单元由四个双箭头型负泊松比胞元头部连接且相邻个体所在平面相互垂直构成，形成十字形单元，十字形单元外侧的箭头尾端相连接构成夹芯层2整体。
实施例2
本实施例为一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板在汽车吸能盒中的运用；
汽车吸能盒主要是当汽车受到外部冲击载荷时能够较快的吸收和消耗外部撞击带来的能量，将实施实例1中所述的双箭头型负泊松比蜂窝夹层板用于汽车吸能盒，根据需要适当的选用双箭头型夹芯层的层数即可满足防撞盒的装配要求；根据实例1中的冲击仿真模拟结果，可以看到，单层的双箭头型负泊松比蜂窝夹芯层的吸能率相较于传统的提高了46％，使用多层夹芯层，能够最大限度的提高汽车吸能盒的吸收冲撞的能力；更有效的提高汽车的被动安全性能，更有效的保护乘员的安全。
综上所述，1、本发明提供的一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，由上、下铝合金面板，中间双箭头型负泊松比蜂窝夹芯层组成，运用双箭头型结构作为胞元，此双箭头型结构具有负泊松比效应，在其受压时，箭头两尾端向内侧靠拢，相较于其传统的层板夹层形式，缓冲、减振、抗冲击的性能更强；
2、该装置中将胞元组合成承载单元(“十字单元”)，使得每个十字单元在受到垂直于板的方向的载荷时，在三维空间内的其他两个方向上都具有负泊松比效应；使得夹芯层在承载外力时具有更好的结构聚拢，更好的抵抗冲击，使得该夹芯层具有更好的能量吸收的能力、更强的缓冲、减振的能力；
3、将该夹层结构运用到汽车车体中或吸能盒上，一方面能减轻汽车整体的重量，保证其轻量化构建；另一方面，使汽车在受到外部的冲击等载荷时，能够在车体和吸能盒上消耗更多的冲击能量，使汽车的被动安全更可靠，提升汽车的安全性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，其特征在于，包括：上面板、夹芯、下面板；
所述夹芯置于上面板和下面板之间，固定连接上面板和下面板；
所述夹芯层为双箭头型负泊松比蜂窝层状，由双箭头型负泊松比胞元规则排列、垂直布置与上面板和下面板之间构成。
2.根据权利要求1所示一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，其特征在于，所述双箭头型负泊松比胞元由两个张开角度不同的箭头尾部连接构成，成体为条状结构，所述角度较小的箭头包覆于角度较大的箭头内部。
3.根据权利要求2所示一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，其特征在于，所述双箭头型负泊松比胞元的箭头头部为竖直的平面结构，其尾端为相互垂直的水平面和竖直平面结构。
4.根据权利要求2所示一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，其特征在于，所述双箭头型负泊松比胞元的箭头头部连接构成一承载单元，所述该承载单元的箭头尾部连接构成夹芯层主体。
5.根据权利要求4所示一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，其特征在于，所述承载单元的双箭头型负泊松比胞元尾部分别固定连接上面板、下面板，其尾部两点连线垂直于上面板和下面板平面。
6.根据权利要求5所示一种双箭头型负泊松比蜂窝夹层板，其特征在于，所述承载单元由四个双箭头型负泊松比胞元头部连接且相邻个体所在平面相互垂直构成。
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