CN114658782A - 一种性能增强的双向缓冲吸能超材料 - Google Patents

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Abstract

一种性能增强的双向缓冲吸能超材料，包括由多个单胞周期排列而成的多胞超材料结构。单胞由交叉曲梁、双向环、螺旋杆、长方体框架和连接杆构成，长方体框架由直梁组成，交叉曲梁由两根曲梁交叉组成，两组交叉曲梁安装在框架的两个相对面内，交叉曲梁的端部与长方体框架固定连接，两组交叉曲梁互相平行，单胞内双向环的上、下端面分别与两组交叉曲梁的中部通过螺旋杆固定连接，不同单胞在竖直方向通过直杆连接交叉曲梁的交叉处，水平方向通过共用长方体框架的方式进行连接，多个单胞周期排列形成多胞的超材料结构，本发明由单胞周期排列构成，通过编译单胞中交叉曲梁和双向环的几何参数就可以对超材料的力学性能进行编译，其应用范围广，易于大规模的推广使用。

Description

一种性能增强的双向缓冲吸能超材料
技术领域
本发明属于超材料技术领域，涉及一种性能增强的双向缓冲吸能超材料。
背景技术
“超材料”是指通过微结构的设计和周期排列构造的，能展现出天然材料不具备的超常物理性能的复合材料。超材料包括电磁超材料、光学超材料、声学超材料及机械超材料等。
机械超材料的一种重要应用方向就是缓冲和吸能，按照是否可以重复使用分为不可重用和可重用两大类。其中，传统的不可重用的超材料利用材料的塑性变形吸收能量，特点是比能量高，缺点是在一次承载后就失效，无法承受后续的工作载荷，维修成本高。可重用超材料主要利用材料的弹性变形吸收能量，可以多次使用，维修成本低，成为缓冲和吸能材料的一个有希望的发展方向，但这类超材料的一个典型缺点是比能量较小，这也成为可重用类超材料进一步发展的一个瓶颈。
现有的可重用超材料，例如发明专利CN110792710B所述的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构及其制备方法，通过两种材料制备曲梁，进而利用曲梁的弹性变形实现结构的可重复使用和能量吸收。该结构仅依靠曲梁的弹性变形吸收能量，虽然实现了可重用的目的，但是孔隙率过大，比能量过小。
发明内容
针对现有技术中的缺陷以及研究现状，本发明提供了一种性能增强的双向缓冲吸能超材料。
为实现上述目的，本发明提供的一种性能增强的双向缓冲吸能超材料；该超材料结构主要由N个完全相同的单胞周期排列而成；单胞包括交叉曲梁1、双向环2、螺旋杆3、长方体框架4和直杆5；长方体框架4为交叉曲梁1提供安装空间，交叉曲梁1由两根曲梁1-1交叉组成，两个交叉曲梁1安装在长方体框架4的两个相对面内，单胞中的两个交叉曲梁1互相平行，交叉曲梁1的端部与长方体框架4固定连接，双向环2布置在长方体框架4的内部中心处，单胞中相对面内布置的两个交叉曲梁1的交叉部通过螺旋杆3分别与双向环2的上下端面固定连接，通过直杆5连接不同层单胞交叉曲梁1的中部交叉处，长方体框架4中未布置交叉曲梁1的端面通过共用框架的方式连接同一层内相邻的单胞，使多个单胞周期排列形成多胞的超材料结构。
所述交叉曲梁具有突弹跳变的性质，交叉曲梁的刚度变化分为三阶段，依次为正刚度段、负刚度段和正刚度段。所述的突弹跳变是指结构内的应力还没有达到材料的屈服应力时，就丧失稳定性的过程，表现为结构发生几何大变形，结构刚度发生急剧变化。
所述双向环是双向的正刚度结构，在拉伸和压缩载荷作用下，都具有线性变化的正刚度。
所述单胞中布置的两组交叉曲梁互相平行，保证在拉伸或压缩载荷作用下，有一组交叉曲梁发生几何大变形。
所述长方体框架中布置的两组交叉曲梁与双向环的连接形式为并联，两者在拉伸和压缩载荷作用下的变形过程中，交叉曲梁的负刚度与双向环的正刚度叠加形成准零刚度，构成力-位移曲线中的力平缓区，从而使结构在不增加响应作用力的前提下稳定地吸收能量。
本发明具有双向缓冲和吸能的特点，在拉伸和压缩载荷作用下，力-位移曲线都具有力平缓区，在不增加作用力的前提下稳定地吸收能量。单胞中力的传递路径为直杆-一侧交叉曲梁-螺旋杆-双向环-螺旋杆-另一侧交叉曲梁-直杆-另一个单胞。在外部的拉伸或压缩载荷作用下会引起单胞中一组交叉曲梁和双向环的几何大变形。
本发明能在限制力阈值的前提下，利用结构的弹性变形吸收能量，在吸收的能量耗散后，单胞可以回复其初始构型，便于重复使用，以应对后续的载荷。多胞超材料设计的关键是单胞结构的设计，单胞的力学性能决定了多胞超材料的力学性能，单胞具有双向的缓冲和吸能功能，则由该单胞周期排列组成的多胞超材料也具有双向的缓冲和能量吸收能力。
通过编译单胞中交叉曲梁和双向环的几何参数实现对超材料的力学性能编译，应用范围广，易于大规模的推广使用。超材料利用现有的增材制造技术直接加工获得。
与现有技术相比本发明的有益效果：
1、本发明基于超材料实现可回复的高效的双向缓冲和能量吸收，结构简单，易加工，直接利用增材制造技术进行加工，相关步骤主要由机器完成，易于实现大批量生产。
2、本发明利用交叉曲梁与双向环的并联组合，当承受外部的拉伸或压缩载荷时，交叉曲梁和双向环都能通过几何大变形来吸收能量，相比于现有的仅存在曲梁的结构设计，本发明显著提高了结构的比能量。
3、本发明中的交叉曲梁在变形过程中存在负刚度段，双向环在变形过程中一直保持近乎线性的正刚度，又交叉曲梁和双向环是并联的，故二者的刚度可以叠加。在压缩和拉伸两种载荷作用下得到的力-位移曲线都具有力平缓区，这表明本发明可以在不增加力阈值的前提下，以恒定的作用力稳定地吸收能量。
附图说明
图1为本发明实施例中单胞的三维结构示意图；
图2为本发明实施例中多胞超材料结构的主视图；
图3为本发明实施例中多胞超材料结构的轴视图；
图4为本发明实施例的交叉曲梁的结构示意图；
图5为本发明实施例的双向环的结构示意图；
图6为本发明实施例的螺旋杆的结构示意图；
图7为本发明实施例的长方体框架的结构示意图；
图8为本发明实施例的直杆的结构示意图；
图9为本发明实施例的双向环在拉伸载荷作用下的力-位移曲线图；
图10为本发明实施例的双向环在压缩载荷作用下的力-位移曲线图；
图11为本发明实施例的交叉曲梁在载荷作用下的力-位移曲线图；
图12为本发明实施例的单胞在拉伸载荷作用下的力-位移曲线图；
图13为本发明实施例的单胞在压缩载荷作用下的力-位移曲线图；
图中：1交叉曲梁；2双向环；3螺旋杆；4长方体框架；5直杆。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
参见图1，本发明实施例中一种高效的双向缓冲和吸能的单胞结构示意图，该单胞结构包括：交叉曲梁1、双向环2、螺旋杆3，长方体框架4和直杆5，所述的一个交叉曲梁1通过螺旋杆3与双向环2的上端面固定连接，另一个交叉曲梁1通过螺旋杆3与双向环2的下端面固定连接，单胞中的两个交叉曲梁互相平行，双向环2布置在长方体框架3的内部中心处，交叉曲梁1和双向环2的连接形式是并联的，两者的刚度得到叠加。
图2和图3为根据本发明一实施例中3×3×3超材料的三维结构正视图和轴视图；不同层的单胞通过直杆5连接不同单胞的交叉曲梁1的交叉处，同一层内相邻的单胞通过共用框架的方式连接，单胞的周期性排列形成3×3×3超材料。
如图4所示，所述交叉曲梁1由两根曲梁1-1垂直交叉组成，交叉曲梁1和其组成结构曲梁1-1均具有突弹跳变的性质，在交叉曲梁1施加垂直于端面1-2的载荷时，曲梁1-1和交叉曲梁1会经历三种刚度变化，依次为正刚度段、负刚度段和正刚度段。曲梁1-1端部分别固定于长方体框架3相对面的对角点处。具有突弹跳变性质的结构，能在不增加峰值作用力的前提下稳定地吸收能量。
如图5所示，所述双向环2是对称结构，拉伸和压缩载荷作用下都具有几何大变形的特点，在较大的载荷范围内，双向环2的刚度始终保持线性变化。
如图6所示，所述的螺旋杆3的上、下两个正方形端面的边线相差90°。
如图7所示，所述的长方体框架4由12根直梁依次首尾连接组成。
如图8所示，所述的直杆5的上、下两个正方形端面的边线互相平行。
图9和图10为本发明实施例中的双向环2在拉伸和压缩载荷作用下的力-位移曲线图，拉伸和压缩载荷作用下，双向环2的刚度均呈线性变化。
图11为本发明实施例中的交叉曲梁1，沿端面1-2竖直向下施加载荷后得到的力-位移曲线，结构的刚度经历了正刚度、负刚度、正刚度三段变化，具有突弹跳变的性质。
图12和图13为根据本发明实施例中的单胞在拉伸和压缩载荷作用下的力-位移曲线图，力-位移曲线具有一个刚度接近于零的平缓区，在平缓区中，力的幅值没有随载荷的增加而增加，结构以近乎恒定的作用力稳定地吸收能量。

Claims (4)

1.一种性能增强的双向缓冲吸能超材料，其特征在于，该双向缓冲吸能超材料主要由N个完全相同的单胞周期排列而成；
所述的单胞包括：交叉曲梁(1)、双向环(2)、螺旋杆(3)、长方体框架(4)和直杆(5)；交叉曲梁(1)由两根曲梁(1-1)交叉而成，曲梁(1-1)端部分别固定连接于长方体框架(4)的两个相对面内，两个相对面内布置的交叉曲梁(1)互相平行；双向环(2)布置在长方体框架(3)的内部中心处；双向环(2)的上、下两个端面分别与两组交叉曲梁(1)的交叉处通过螺旋杆(3)连接；不同层相邻单胞通过直杆(5)连接两个单胞交叉曲梁(1)的交叉处；同层相邻单胞通过共用长方体框架(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种性能增强的双向缓冲吸能超材料，其特征在于，所述交叉曲梁(1)具有突弹跳变的性质，交叉曲梁(1)的刚度变化分为三阶段，依次为正刚度段、负刚度段、正刚度段；所述的突弹跳变是指结构内的应力还没有达到材料的屈服应力时，就丧失稳定性的过程，表现为结构发生几何大变形，结构刚度发生急剧变化。
3.根据权利要求1或2所述的一种性能增强的双向缓冲吸能超材料，其特征在于，所述双向环(2)在拉伸和压缩载荷作用下，都具有线性变化的正刚度。
4.根据权利要求3所述的一种性能增强的双向缓冲吸能超材料，其特征在于，所述长方体框架(4)中布置的两组交叉曲梁(1)与双向环(2)的连接形式为并联，两者在拉伸和压缩载荷作用下的变形过程中，交叉曲梁的负刚度与双向环的正刚度叠加形成准零刚度，构成力-位移曲线中的力平缓区，从而使结构在不增加响应作用力的前提下稳定地吸收能量。
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