CN115507105B - 一种具有负泊松比特性的螺栓 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有负泊松比特性的螺栓，包括螺栓头部和螺杆，螺杆包括与螺栓头部连接的负泊松比圆杆段和与负泊松比圆杆段连接的螺纹段，负泊松比圆杆段和螺纹段一体成型，负泊松比圆杆段由反手性环向结构和反手性径向结构组成。本发明在螺杆中设置负泊松比圆杆段，使螺栓在受到轴向拉力时会在环向产生膨胀，膨胀作用可使螺栓与通孔之间紧密接触产生一定的压力，提升了螺栓和通孔之间的摩擦力，增强了螺栓与被紧固物件的一体性，可有效提高螺栓的紧固效果。本发明的具有负泊松比特性的螺栓的结构内部可协调变形、均匀受力，具有优秀的受力特性，可提高器物机件的稳定性和安全性，在日常生活和工业生产中具有广泛的应用前景。

Description

一种具有负泊松比特性的螺栓
技术领域
本发明涉及一种具有负泊松比特性的螺栓，属于机械零件，该具有负泊松比特性的螺栓可以广泛应用于日常生活和工业生产制造。
背景技术
负泊松比材料是一种力学超材料，表现出不同于传统正泊松比材料的力学行为：当一个方向受到拉伸时，其垂直方向上会发生膨胀。这种材料体现出负泊松比的性能通常可归因于材料独特的空隙、皱纹和内凹结构，通过合理设计材料的内部结构可使材料体现出负泊松比特性。负泊松比独特的变形模式使其具有优异的抗冲击、抗剪切、抗断裂、吸能和减振等力学性能，拥有广阔的应用前景。
传统的螺栓在螺母的紧固作用下受到轴向拉力，垂直于作用力的方向(即环向)会产生收缩变形，体现出正泊松比的特性。因此，传统的螺栓在受到轴向拉力时，环向会收缩变形，这会减小螺栓和通孔之间的接触和摩擦，不利于螺栓发挥紧固作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有负泊松比特性的螺栓，以解决背景技术中提出传统的螺栓在受到轴向拉力时，环向会收缩变形，这会减小螺栓和通孔之间的接触和摩擦，不利于螺栓发挥紧固作用的不足。本发明的螺栓在受到拉力时，环向会发生膨胀。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有负泊松比特性的螺栓，包括螺栓头部和螺杆，所述螺杆包括负泊松比圆杆段和螺纹段，所述负泊松比圆杆段的一端与所述螺栓头部连接，所述负泊松比圆杆段的另一端与所述螺纹段连接，所述负泊松比圆杆段和所述螺纹段一体成型，所述负泊松比圆杆段由反手性环向结构和反手性径向结构组成；
所述反手性环向结构包括多层同轴设置的负泊松比圆筒，多层所述负泊松比圆筒间沿径向等距分布，每层所述负泊松比圆筒均包括若干个内凹六边形胞元，所述内凹六边形胞元包括两根等长的第一横杆和四根等长的第一斜杆，两根所述第一横杆上下平行设置，四根所述第一斜杆分为两组，每组中的两根所述第一斜杆相连形成六边形的一个内凹角，两个所述内凹角相对设置在六边形的左右两侧；若干个所述内凹六边形胞元依次连接、且第一横杆两两重合成列排列，多列所述内凹六边形胞元沿周向排列，且相邻两列之间的所述内凹六边形胞元交错排列，并通过内凹角的第一斜杆两两重合相连，从而形成一层负泊松比圆筒；所述反手性环向结构中所有内凹六边形胞元的高度均相等，但所述内凹六边形胞元的第一横杆长度以其所在负泊松比圆筒的层数由内向外按比例增大；
所述反手性径向结构用于所述反手性环向结构中的多个所述负泊松比圆筒之间的连接并传递作用力，所述反手性径向结构包括若干个经过所述负泊松比圆筒中轴线的负泊松比连接面，每个所述负泊松比连接面均由多个环杆结构胞元沿筒体的径向和轴向阵列形成，每个所述环杆结构胞元均包括位于同一平面内的两个圆环，每个所述圆环均连接有与其相切且平行的两根第二横杆和两根第二斜杆，且位于两个所述圆环之间的两根第二横杆相连接；相邻两列所述环杆结构胞元之间通过各自的第二横杆相连接，相邻两行所述环杆结构胞元之间通过各自的第二斜杆相连接；所述负泊松比连接面中且每个所述环杆结构胞元左右两侧的两根第二横杆分别与相邻两层负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元的第一横杆连接。
进一步的，各层所述负泊松比圆筒中的所述内凹六边形胞元满足以下关系：
an＝na1
θn＝arctan(ntanθ1)
式中，n代表内凹六边形胞元所在的负泊松比圆筒所在的层数，n从内层向外层依次增大，n＝1，2，…N；N是负泊松比圆筒的总层数，且N≥10；an和bn分别是第n层负泊松比圆筒中内凹六边形胞元的第一横杆长度和第一斜杆长度，θn是第n层负泊松比圆筒中内凹六边形胞元的第一横杆与第一斜杆的夹角，a1是第1层(最内层)负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元的第一横杆长度，θ1是第1层负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元的第一横杆与第一斜杆的夹角，h是内凹六边形胞元的高度。
进一步的，相邻两列所述内凹六边形胞元之间的错位距离L＝0.5h。
进一步的，所述内凹六边形胞元的第一横杆与所述第一斜杆所形成的夹角大于等于30°且小于90°。
进一步的，所述环杆结构胞元的第二斜杆与第二横杆的夹角β应满足以下条件：
式中，m是负泊松比连接面的个数，且m≥18；θ1是最内层负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元的第一横杆与第一斜杆的夹角。
进一步的，所述负泊松比连接面的个数与所述内凹六边形胞元的列数相等，每一列所述内凹六边形胞元的两侧各与一个所述负泊松比连接面连接。
进一步的，相邻两层所述负泊松比圆筒之间的径向间隔d为：
式中，D是螺杆的直径。
进一步的，所述负泊松比圆杆段的长度不小于所述螺杆的直径。
进一步的，所述负泊松比圆杆段和螺纹段的长度之比为1:1。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的一种具有负泊松比特性的螺栓，通过设置具有负泊松比特性的圆杆取代普通螺栓的部分螺杆，在螺栓受到轴向拉力时负泊松比圆杆段会在环向产生膨胀，膨胀作用可使螺栓与通孔之间紧密接触产生一定的压力，提升了螺栓和通孔之间的摩擦力，增强了螺栓与被紧固物件的一体性，可有效提高螺栓的紧固效果。
(2)、本发明的具有负泊松比特性的螺栓是三维结构，其结构内部可协调变形、均匀受力，具有优秀的受力特性，可提高器物机件的稳定性和安全性，在日常生活和工业生产中具有广泛的应用前景。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一种具有负泊松比特性的螺栓的结构示意图；
图2是本发明中反手性环向结构的内凹六边形胞元的结构示意图；
图3是本发明中负泊松比圆筒的结构示意图；
图4是本发明中负泊松比圆杆段的横截面结构示意图；
图5是本发明中反手性径向结构中环杆结构胞元的结构示意图；
图6是本发明中负泊松比连接面的结构示意图；
图7是本发明中环杆结构胞元与内凹六边形胞元连接的结构示意图；
其中：1-螺栓头部；2-负泊松比圆杆段；3-螺纹段；A-负泊松比圆筒；A1第一横杆；A2-第一斜杆；B-负泊松比连接面；B1-圆环；B2-第二横杆；B3-第二斜杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参见图1，本实施例提供的一种具有负泊松比特性的螺栓，包括螺栓头部1和螺杆螺纹段，其中靠近螺栓头部的一部分螺杆被替换为具有负泊松比特性的圆杆，即螺杆包括负泊松比圆杆段2和螺纹段3，负泊松比圆杆段2的一端与螺栓头部1连接，负泊松比圆杆段2的另一端与螺纹段3连接，负泊松比圆杆段2和螺纹段3一体成型；负泊松比圆杆段2由反手性环向结构和反手性径向结构组成；具体结构如下：
如图2所示，内凹六边形胞元包括两根第一横杆A1和四根第一斜杆A2，两根第一横杆A1长度相等且上下相互平行，四根第一斜杆A2的长度均相等，四根第一斜杆分为左右两组，每组中的两根第一斜杆相连形成一个向六边形内侧凹陷的内凹角，每组中的两根第一斜杆相连后分别连接在两根第一横杆的左右两端，故两个内凹角相对设置在内凹六边形胞元的左右两侧。在该结构设置中，内凹六边形胞元的第一横杆A1与第一斜杆A2所形成的夹角大于等于30°且小于90°。
如图3所示，若干个内凹六边形胞元依次连接、且相邻两个内凹六边形胞元的第一横杆A1两两重合成列排列，多列内凹六边形胞元沿筒体的周向排列，且相邻两列之间的内凹六边形胞元相互交错排列，并通过内凹角的第一斜杆两两重合相连，从而形成一层负泊松比圆筒A；也即相邻两列所述内凹六边形胞元之间的错位距离L＝0.5h。反手性环向结构中所有内凹六边形胞元的高度均相等，但每层内凹六边形胞元的第一横杆A1的长度以其所在负泊松比圆筒的层数由内向外按比例增大，也即不同层负泊松比圆筒中内凹六边形胞元的第一横杆A1的长度不相等，而同一层负泊松比圆筒中所有内凹六边形胞元的第一横杆A1的长度相等。具体地，各层负泊松比圆筒A中的内凹六边形胞元之间满足以下关系：
an＝na1
θn＝arctan(ntanθ1)
式中，n代表内凹六边形胞元所在的负泊松比圆筒所在的层数，n从内层向外层依次增大，n＝1，2，…N；N是负泊松比圆筒的总层数，且N≥10；an、bn分别是第n层负泊松比圆筒中内凹六边形胞元的第一横杆长度和第一斜杆长度，θn是第n层负泊松比圆筒中内凹六边形胞元的第一横杆与第一斜杆的夹角，a1是第1层负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元第一横杆长度，θ1是第1层负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元的第一横杆与第一斜杆的夹角，h是内凹六边形胞元的高度。
如图4所示，反手性径向结构用于反手性环向结构中的多个负泊松比圆筒A之间的连接并传递作用力，反手性径向结构由若干个经过负泊松比圆筒A中轴线的负泊松比连接面B共同组成。结合参见图5，反手性径向结构的基本胞元为环杆结构胞元，每个环杆结构胞元包括位于同一平面内的互不接触的两个圆环B1，每个圆环上连接有与其相切且平行的两根第二横杆B2和两根第二斜杆B3，且每个环杆结构胞元中位于两个圆环B1之间的两根第二横杆B2相连接，形成一根较长的两端分别连接于两个圆环的长横杆；即两个圆环和与其相连的杆件共同组成反手性径向结构的基本胞元。
如图6所示，多个环杆结构胞元沿筒体的径向和轴向阵列形成负泊松比连接面B；多个环杆结构胞元通过各自具有的第二斜杆和第二横杆相互连接形成负泊松比连接面，具体为相邻两行环杆结构胞元之间通过第二斜杆B3相连接，而相邻两列环杆结构胞元之间则通过第二横杆B2相连接。具体地，每一列内凹六边形胞元的两侧各与一个负泊松比连接面B连接，但每个负泊松比连接面B的两端各与一列内凹六边形胞元的一侧相连接，故负泊松比连接面B的个数与内凹六边形胞元列数相等。图4中每一条经过圆心的直线都代表一个负泊松比连接面，若干个负泊松比连接面共同组成反手性径向结构。
如图7所示，环杆结构胞元左右两侧的两根第二横杆分别与相邻两层负泊松比圆筒上A的两个内凹六边形胞元的第一横杆的一端相连接。更具体地，负泊松比连接面B中且每个环杆结构胞元左右两侧的两根第二横杆B2分别与相邻两层负泊松比圆筒A上的内凹六边形胞元的第一横杆A1连接；由此，反手性环向结构和反手性径向结构通过这种方式连接成一个整体。
在一种具体的实施方式中，为了使反手性环向结构和反手性径向结构能够协调变形均匀受力，环杆结构胞元的第二斜杆B3与第二横杆B2的夹角β应满足以下条件：
式中，m是负泊松比连接面的个数，负泊松比连接面的个数m不小于18个；θ1是第1层负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元的第一横杆与第一斜杆的夹角。
在一种具体的实施方式中，相邻两层负泊松比圆筒(A)之间的径向间隔d一般为：
式中，D是螺杆的直径；径向间隔d也可根据实际尺寸需要进行适当调整。
在一种具体的实施方式中，负泊松比圆杆段2的长度可根据实际用途(即待紧固器件的厚度)进行适当调整，但不得小于螺杆直径。负泊松比圆杆段2和螺纹段3的长度之比一般为1:1，该比例也可根据实际用途进行适当调整。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有负泊松比特性的螺栓，其特征在于，包括螺栓头部(1)和螺杆，所述螺杆包括负泊松比圆杆段(2)和螺纹段(3)，所述负泊松比圆杆段(2)的一端与所述螺栓头部(1)连接，所述负泊松比圆杆段(2)的另一端与所述螺纹段(3)连接，所述负泊松比圆杆段(2)由反手性环向结构和反手性径向结构组成；
所述反手性环向结构包括多层同轴设置的负泊松比圆筒(A)，多层所述负泊松比圆筒(A)间沿径向等距分布，每层所述负泊松比圆筒(A)均包括若干个内凹六边形胞元，所述内凹六边形胞元包括两根等长的第一横杆(A1)和四根等长的第一斜杆(A2)，两根所述第一横杆(A1)上下平行设置，四根所述第一斜杆分为两组，每组中的两根所述第一斜杆相连形成六边形的一个内凹角，两个所述内凹角相对设置在六边形的左右两侧；若干个所述内凹六边形胞元依次连接、且第一横杆(A1)两两重合成列排列，多列所述内凹六边形胞元沿周向排列，且相邻两列之间的所述内凹六边形胞元交错排列，并通过内凹角的第一斜杆两两重合相连，从而形成一层负泊松比圆筒；所述反手性环向结构中所有内凹六边形胞元的高度均相等，但所述内凹六边形胞元的第一横杆(A1)的长度以其所在负泊松比圆筒的层数由内向外按比例增大；
所述反手性径向结构包括若干个经过所述负泊松比圆筒(A)中轴线的负泊松比连接面(B)，每个所述负泊松比连接面(B)均由多个环杆结构胞元沿筒体的径向和轴向阵列形成，每个所述环杆结构胞元均包括位于同一平面内的两个圆环(B1)，每个所述圆环均连接有与其相切且平行的两根第二横杆(B2)和两根第二斜杆(B3)，且位于两个所述圆环(B1)之间的两根第二横杆(B2)相连接；相邻两列所述环杆结构胞元之间通过各自的第二横杆(B2)相连接，相邻两行所述环杆结构胞元之间通过各自的第二斜杆(B3)相连接；所述负泊松比连接面(B)中且每个所述环杆结构胞元左右两侧的两根第二横杆(B2)分别与相邻两层负泊松比圆筒(A)上的内凹六边形胞元的第一横杆(A1)连接。
2.根据权利要求1所述的具有负泊松比特性的螺栓，其特征在于，各层所述负泊松比圆筒(A)中的所述内凹六边形胞元满足以下关系：
式中，n代表内凹六边形胞元所在的负泊松比圆筒所在的层数，n从内层向外层依次增大，n=1，2，…N；N是负泊松比圆筒的总层数，且N≥10；a n和b n分别是第n层负泊松比圆筒中内凹六边形胞元的第一横杆长度和第一斜杆长度，θ n是第n层负泊松比圆筒中内凹六边形胞元的第一横杆与第一斜杆的夹角，a 1是第1层负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元第一横杆长度，θ 1是第1层负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元的第一横杆与第一斜杆的夹角，h是内凹六边形胞元的高度。
3.根据权利要求2所述的具有负泊松比特性的螺栓，其特征在于，相邻两列所述内凹六边形胞元之间的错位距离L=0.5h。
4.根据权利要求1所述的具有负泊松比特性的螺栓，其特征在于，所述内凹六边形胞元的第一横杆(A1)与所述第一斜杆(A2)所形成的夹角为大于等于30°且小于90°。
5.根据权利要求1所述的具有负泊松比特性的螺栓，其特征在于，所述环杆结构胞元的第二斜杆(B3)与第二横杆(B2)的夹角β应满足以下条件：
式中，m是负泊松比连接面的个数，且m≥18；θ 1是第1层负泊松比圆筒上的内凹六边形胞元的第一横杆与第一斜杆的夹角，h是内凹六边形胞元的高度。
6.根据权利要求1所述的具有负泊松比特性的螺栓，其特征在于，所述负泊松比连接面(B)的个数与所述内凹六边形胞元的列数相等，每一列所述内凹六边形胞元的两侧各与一个所述负泊松比连接面(B)连接。
7.根据权利要求5所述的具有负泊松比特性的螺栓，其特征在于，相邻两层所述负泊松比圆筒(A)之间的径向间隔d为：
式中，D是螺杆的直径。
8.根据权利要求1所述的具有负泊松比特性的螺栓，其特征在于，所述负泊松比圆杆段(2)的长度不小于所述螺杆的直径。
9.根据权利要求8所述的具有负泊松比特性的螺栓，其特征在于，所述负泊松比圆杆段(2)和螺纹段(3)的长度之比为1:1。
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