CN115076274A - 一种基于卡扣结构的多稳态力学超构材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，包括两个部分，一个是由卡扣阵列排列的卡扣管结构，另一个是由凹槽阵列排列的卡槽结构。其中，卡扣管上分布悬臂梁卡扣，卡槽结构由带有凸起圆环的贯穿圆孔组成。卡扣管装配到卡槽上，表现出双稳态，即装配前的第一稳态和装配后的第二稳态。所述的超构材料是将卡扣管结构插入到卡槽结构中。受外界载荷时，结构展示出多个稳态，具有多级吸能效果。再施加反向载荷时，超构材料可以恢复到初始稳态。通过设计结构的排列、尺寸参数，可以调节其力学性能，具有可编程和可重构性以适应非平面保护体。结构还有优异的防冲击性能和减少反弹能量，可用于开发减震器。

Description

一种基于卡扣结构的多稳态力学超构材料

技术领域

本发明涉及一种多稳态力学超构材料，尤其涉及一种基于卡扣结构的多稳态力学超构材料。

背景技术

超构材料是一类具有天然材料不具备的超常物理性质的人工结构材料，其独特性能来自它们的几何结构而非材料组分。具有独特力学性质的力学超构材料可以提供一些新颖的功能特性，如复杂的双稳态、可调节的刚度、负热膨胀和拉胀行为等。近年来，多稳态力学超构材料因其独特的力学性能（如可重复使用、可重构的形状、能量吸收和可编程的能量景貌）受到广泛研究。

传统的吸能结构具有不可逆的能量转换、受限制且相当恒定的反作用力、较长的行程、重量轻且比能量吸收高的特点。然而，它们缺乏稳定和可重复的变形模式。这使得安装和维护成本增加，造成了资源浪费。多稳态结构具有存储机械能和可重复使用的性能，可应用于能量吸收装置。常见的双稳态结构如柔性铰链、弯曲梁、薄壳、折纸等结构，普遍都存在强度低、制作工艺复杂、机械能吸收性能弱以及性能调控不便等缺点。因此需要设计出既保持传统吸能结构的特点，又可以稳定、强度高和可重复使用的吸能结构。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种可重复使用能量吸收多稳态力学超构材料。

技术方案：本发明所述的基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，由卡扣管阵列排列的卡扣管结构和由凹槽阵列排列的卡槽结构两部分组成；所述卡扣管外径小于凹槽孔径，卡扣管结构与卡槽结构插合连接。

进一步地，所述卡扣管两侧对称排列有悬臂梁卡扣。所述卡扣管装配到卡槽结构上，这个过程展示出卡扣结构的双稳态性，即装配前的第一个稳态和装配后的第二个稳态。当外界载荷超过临界装配力时，悬臂梁卡扣和卡槽从第一个稳态转换为第二个稳态。若施加相反的载荷，悬臂梁卡扣和卡槽又会从第二个稳态转换为第一个稳态。

进一步地，所述卡槽结构中设有多个贯穿的圆孔，圆孔内排列着凸起的圆环。在悬臂梁卡扣装配到卡槽上时，悬臂梁卡扣与凸起圆环有接触，圆环是固定的，而悬臂梁卡扣发生弹性偏斜，装配完成后悬臂梁卡扣恢复为原来形状。

进一步地，所述卡扣管和凹槽需要形状匹配，形状为圆形，方形或五边形。

进一步地，所述悬臂梁卡扣排列间距是圆环排列间距的3-5倍。这是为了保证圆管上排列的卡扣同时发生偏斜，以产生多稳态性能。

进一步地，所述悬臂梁卡扣在圆管上阵列排列，将卡扣圆管结构插入到卡槽结构上组装成多稳态力学超构材料后，此超构材料具有多稳态的性能，即具有多个稳定的状态，可以实现多级能量吸收。

进一步地，所述的多稳态力学超构材料能够吸收机械能，其能量吸收由悬臂梁卡扣结构决定，如悬臂梁长度、插入面角度、保持面角度、跟切深度等。

进一步地，所述的卡扣管结构和卡槽结构通过CAD建模、3D打印制备得到。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：（1）该力学超构材料具有多稳态的性能，即具有多个稳定的状态。当外界施加载荷在超过机械卡扣装配力时，多稳态力学超构材料从第一稳态转换到第二个稳态。由于设计的超构材料是多层结构，因此可以实现多个稳态，即具有多级能量吸收性能；（2）该力学超构材料具有可重复使用性能，在外界施加载荷完成多稳态转变时，施加反向的载荷可以恢复为原始状态，并可重复使用；（3）该力学超构材料被设计成可模块化的，可适应复杂的环境和在不同场合应用，并实现灵活快速部署；（4）该力学超构材料具有可编程和可重构性能，可以适应不同的非平面保护体；（5）该力学超构材料具有优异的防冲击性能和减少反弹能量性能，在开发减震器（例如防撞栏、头盔和汽车保险杠）方面发挥着重要作用，可以安全地保护人员或货物免受撞击；（6）该力学超构材料设计策略为火箭和飞船的回收装置、可重复使用的冲击防护系统、材料本构模拟器、机械信息存贮器和机械计算等诸多领域和器械的设计提供了全新的思路。

附图说明

图1是本发明基于卡扣结构的多稳态力学超构材料结构和单胞结构示意图；

图2 是卡扣管结构放大示意图；

图3 是卡槽结构剖面图；

图4 是卡扣管结构前视图和顶视图；

图5 是3×3单元的多稳态力学超构材料压缩时的力-位移曲线图；

图6 是3D打印的多稳态力学超构材料；

图7 是通过弹性小球自由下落测试多稳态力学超构材料和预压的超构材料能量吸收情况；

图8 是多稳态力学超构材料和预压的超构材料能量吸收情况对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例

本发明所述的基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，其结构如图1所示，由卡扣管阵列排列的卡扣管结构1和由凹槽阵列排列的卡槽结构2两部分组成；所述卡扣管外径小于凹槽孔径，将卡扣管结构1插入到卡槽结构2中，配合成所述的多稳态力学超构材料。

卡扣管两侧对称阵列排列有悬臂梁卡扣，使超构材料具有多稳态的性能，可以实现多级能量吸收。卡槽结构2是由贯穿的圆孔组成，圆孔内排列着凸起的圆环。所述悬臂梁卡扣排列间距是圆环排列间距的3-5倍。所述卡扣管和凹槽需要形状匹配，但不限于圆形，卡扣管/卡槽可以是其他形状的管/槽，如方管/方槽、五边形管/五边形槽等。上述基于卡扣结构的多稳态力学超构材料设计方法，包括以下步骤：

1）采用Solidworks三维建模软件，绘制三维卡扣圆管结构和卡槽结构。其悬臂梁卡扣的尺寸为：4壁面处的梁厚度为1.5 mm、5根切深度为0.87 mm、6保持面角度为30°、7插入面角度为30°、8锁紧功能件总长度为3 mm、9梁的长度为6 mm、10保持功能件长度9 mm、11壁面处的梁宽度为2 mm，设计的悬臂梁卡扣结构如图4所示。将悬臂梁卡扣按阵列排列在圆管两侧，圆管的外径为10 mm，内径为7 mm，卡扣圆管结构如图2所示。卡槽结构尺寸为：3圆环间距L _g 长度为3 mm，卡槽开孔孔径为12 mm，如图3所示。

2）将卡扣圆管结构和卡槽结构模型文件导入采用Materialise Magics软件添加支撑和切片处理，导入到3D打印设备中，制作出光敏树脂卡扣圆管和卡槽样品。

3）将制备好的3D打印卡扣圆管插入到卡槽中，即得到多稳态力学超构材料，如图6所示。测试3×3单元多稳态力学超构材料压缩时的力学性能。测试结果如图5所示，图中展示了多稳态力学超构材料的多稳态性能，并具有多级能量吸收的能力。

4）将弹性小球14放置在位于多稳态力学超构材料15垂直距离500mm处，使小球自由下落，测试多稳态力学超构材料的能量吸收情况，如图7所示。测量小球反弹高度并计算吸收的能量，如图8所示。

对比例

本对比例的其它步骤与实施例完全相同，区别只在步骤3）为：施加外部载荷到插入的卡扣圆管上，使其变成完全预压的超构材料，即没有多稳态性能，如图7所示。同实施例中步骤4）一样，弹性小球自由下落，测试完全预压的超构材料的能量吸收情况，测量小球反弹高度并计算吸收的能量，如图8所示。

在实施例中，测量了多稳态力学超构材料压缩时的力学性能，其展示出多个稳态，并具有能量吸收性能。对比实施例和对比例，多稳态力学超构材料可以抓住下落的弹性小球，阻止小球反弹，吸收小球的冲击能量（264.11 mJ）。而完全预压的超构材料，小球反弹了248.8 mm，吸收能量为136.28 mJ，小于多稳态力学超构材料吸收的能量。因此，此多稳态力学超构材料优异的防冲击性能和减少反弹能量性能，且可以反复使用。

Claims (7)

1.一种基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，其特征在于：由卡扣管阵列排列的卡扣管结构（1）和由凹槽阵列排列的卡槽结构（2）两部分组成；所述卡扣管外径小于凹槽孔径，卡扣管结构（1）与卡槽结构（2）配合连接，卡扣管个数与凹槽个数相等；所述卡扣管两侧对称排列有悬臂梁卡扣。

2.根据权利要求1所述的基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，其特征在于：所述卡槽结构（2）中设有贯穿的圆孔，圆孔内排列着凸起的圆环。

3.根据权利要求1所述的基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，其特征在于：所述悬臂梁卡扣结构中的插入面角度为0~90°，保持面角度为0~90°。

4.根据权利要求2所述的基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，其特征在于：所述悬臂梁卡扣排列间距是圆环排列间距的3-5倍。

5.根据权利要求1所述的基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，其特征在于：所述悬臂梁卡扣在圆管上阵列排列，使超构材料具有多稳态的性能，可以实现多级能量吸收。

6.根据权利要求1所述的基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，其特征在于：所述卡扣管和凹槽形状匹配，形状为圆形，方形或五边形。

7.根据权利要求1所述的基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，其特征在于：所述的卡扣管结构（1）和卡槽结构（2）通过CAD建模、3D打印制备得到。

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