CN115978122A - 一种基于极小曲面的扭转负泊松比结构及门板结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于极小曲面的扭转负泊松比结构及门板结构，包括若干阵列并相互连接的单胞，单胞包括上扭转层、下扭转层和扭转连杆，上扭转层和下扭转层均为由两根双曲面扭杆正交连接而成的极小曲面体，使上扭转层和下扭转层分别具有四个端部，且上扭转层与下扭转层位置对应的端部之间分别通过扭转连杆连接，扭转连杆上向外延伸的设有连接端；上下相邻阵列的单胞之间，其中一单胞与其中另一单胞共用上扭转层或下扭转层；左右相邻阵列的单胞之间，其中一单胞的上扭转层或下扭转层与其中另一单胞的扭转连杆的连接端连接。本发明适用于耐冲击场景；门板受到冲击载荷传入结构中发生扭转，大冲击时结构进入致密化阶段，材料强度提升更好抵挡冲击。

Description

一种基于极小曲面的扭转负泊松比结构及门板结构

技术领域

本发明涉及负泊松比超材料吸能安全技术领域，尤其是涉及一种基于极小曲面的扭转负泊松比结构及门板结构。

背景技术

负泊松比超材料以独特的力学性能，优良的吸能效果而著名，被广大研究人员青睐。负泊松比超材料源于一次偶然的发现，而后就有了二维负泊松比超材料，经过发展，二维负泊松比超材料已经比较成熟。可大致分为平面内凹结构、三角箭头形结构、斜杆结构、平面挖孔结构、手性结构等。众所周知，我们生活在一个立体的三维空间里，所接触的物质大多以三维为主，这就限制了传统的二维负泊松比晶格的应用。基于此，三维空间上的负泊松比晶格应运而生。目前比较主流的三维负泊松比晶格又可分为内凹型、箭头型、手性、圆柱挖孔型等结构，而这些晶格中仅仅只有手性结构同时具有负泊松比性能与扭转性能，能够在传统负泊松比性能上进行进一步提高，同时能够一定程度上增加点阵结构的刚度，提高能量吸收能力，保障人们生命安全。

例如中国专利CN115405644A-一种基于极小曲面的负泊松比结构及其设计方法，公开了一种稳定性更强的负泊松比结构，能够起到保持结构轻量化的同时，在受到纵向载荷形变时保证平衡而不倾斜。但在一些高强度的应用场合，只保证材料有足够的纵向载荷能力是不够的，承受扭转的性能也十分重要。

房屋安全问题一直是人们最为最为关注的安全问题之一，直接保障人们的生命财产安全。而防盗门作为房屋安全问题的首要保障，质量至关重要。目前市面上流行的防盗门均是由两块金属板组成，中间呈现空心状态，面对一些稍大力的冲击或撞击就会产生明显的变形甚至破坏。且这些破坏时难以修复的，对业主而言，不仅生命财产安全得不到保障，还会造成不必要的财产损失，在防盗门中填充合适的抗冲击材料成为一种优选的方法。

例如中国专利CN202227918U-防盗门填充用蜂窝纸，设计的由菱形孔材料阵列的蜂窝纸填充物，就能够有效增加防盗门的安全性。但是，该专利的方案中采用的菱形孔阵列结构缓冲耗能效果较差，或者说由于平行四边形特性，菱形孔结构在被冲击变形后，不具有回复能力，且扭转性能较差，在门板某一区域遭遇高强度冲击后可能断裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于极小曲面的扭转负泊松比结构及门板结构，能够有效增强负泊松比结构的承受扭转性能，以及门板结构有更强的缓冲耗能效果。

本发明提供一种基于极小曲面的扭转负泊松比结构，包括若干阵列并相互连接的单胞，所述单胞包括上扭转层、下扭转层和扭转连杆，所述上扭转层和所述下扭转层均为由两根双曲面扭杆正交连接而成的极小曲面体，使所述上扭转层和所述下扭转层分别具有四个端部，且所述上扭转层与所述下扭转层位置对应的端部之间分别通过所述扭转连杆连接，所述扭转连杆上向外延伸的设有连接端；

上下相邻阵列的所述单胞之间，其中一所述单胞与其中另一所述单胞共用所述上扭转层或所述下扭转层；

左右相邻阵列的所述单胞之间，其中一所述单胞的所述上扭转层或所述下扭转层与其中另一所述单胞的所述扭转连杆的连接端连接。

进一步地，所述扭转连杆为曲面形结构，由两端向所述上扭转层和所述下扭转层的内部内凹弯曲。

进一步地，所述连接端位于所述扭转连杆的中部。

进一步地，所述双曲面扭杆由两段曲面扭杆相接而成，两段所述曲面扭杆关于其连接点呈中心对称布置。

进一步地，所述扭转连杆上的连接端为曲面结构。

进一步地，所述连接端与所述曲面扭杆的端部之间以曲率相同的结构连接。

进一步地，所述上扭转层和所述下扭转层平行设置。

本发明还提供一种门板结构，扭转负泊松比结构填充于空心门板内。

进一步地，所述曲面扭杆的端部为平行于所述单胞阵列方向的平面。

进一步地，所述单胞在XYZ三方向分别至少阵列三层。

本发明的技术方案有益效果在于：

(1)通过上扭转层、下扭转层和扭转连杆组成的向某一方向回旋的单胞结构，使得单胞整体的曲面结构具有更强的扭转能力，同时保持了其有效的竖向承载强度；

(2)通过扭转连杆的连接端，使得相邻单胞以高低交错的方式阵列连接，更充分的发挥了扭转连杆弧线型曲面结构的扭转能力，引入的曲线设计扭转边界能够在承受载荷的冲击时通过扭转来吸收更多的能量，能够应对较大冲击时的变形，不容易出现应力集中的情况，更加的适用于耐冲击的场景，保障人们的生命安全；

(3)当门板受到冲击时，载荷会通过门板传入到结构中，上扭转层、下扭转层会发生扭转，并带动扭转连杆发生扭转，扭转的同时能够起到增加能量吸收的效果，在结构受到载荷变形的同时会有负泊松比效果更好的吸能抗冲击。当受到大冲击时，结构进入致密化的阶段，材料的刚度和强度都会大大提升，能更好的抵挡冲击。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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。

附图标记说明：

图1为本发明的单胞结构示意图；

图2为本发明的上扭转层和下扭转层结构示意图；

图3为本发明的上扭转层、扭转连杆和下扭转层连接关系图；

图4为本发明的单胞正面示意图；

图5为本发明的单胞交错阵列方式示意图；

图6为本发明的单胞交错阵列方式示意图；

图7为本发明的门板结构示意图；

图8为本发明的单胞阵列三层示意图；

1-单胞、2-上扭转层、3-下扭转层、4-扭转连杆、5-连接端、6-曲面扭杆、7-门板；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，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发明中的具体含义。

实施例1

如图1-图6所示，本发明提供一种基于极小曲面的扭转负泊松比结构，包括若干阵列并相互连接的单胞1，单胞1包括上扭转层2、下扭转层3和扭转连杆4，上扭转层2和下扭转层3均为由两根双曲面扭杆6正交连接而成的极小曲面体，使上扭转层2和下扭转层3分别具有四个端部，且上扭转层2与下扭转层3位置对应的端部之间分别通过扭转连杆4连接，扭转连杆4上向外延伸的设有连接端5；上下相邻阵列的单胞1之间，其中一单胞1与其中另一单胞1共用上扭转层2或下扭转层3；左右相邻阵列的单胞1之间，其中一单胞1的上扭转层2或下扭转层3与其中另一单胞1的扭转连杆4的连接端5连接。扭转连杆4为曲面形结构，由两端向上扭转层2和下扭转层3的内部内凹弯曲。连接端5位于扭转连杆4的中部。双曲面扭杆6由两段曲面扭杆6相接而成，两段曲面扭杆6关于其连接点呈中心对称布置。扭转连杆4上的连接端5为曲面结构。连接端5与曲面扭杆6的端部之间以曲率相同的结构连接。上扭转层2和下扭转层3平行设置。

具体的，上扭转层2和下扭转层3为形状、大小相同的结构，分别为一段曲面扭杆6绕一段中心间隔90度旋转形成的类似卍字形的结构。这样上扭转层2和下扭转层3就分别具有四个外端部，且上扭转层2和下扭转层3的转角也是相同的，或者说二者在高度方向的投影重合，这样上扭转层2的某一外端部就对应了下扭转层3的某一外端部，通过四个扭转连杆4分别固定连接对应的四组外端部，形成单胞1整体结构，单胞1阵列并相互连接组成扭转负泊松比结构，而单胞1的阵列方式并不是对齐式的阵列，因为对齐阵列后负泊松比结构的扭转性能主要还是依靠上扭转层2和下扭转层3本本身的扭转特性，没有利用到扭转连杆4；所以本实施例采用的是交错阵列的方式，例如单胞A和单胞B左右相邻，那么单胞A的下扭转层3的一个端部，与单胞B的扭转连杆4上的连接端5连接，也就是说单胞A比单胞B高出半个单胞1的高度，由于连接端5和曲面扭杆6的端部之间曲率相同，且借助扭转连杆4本身的曲面结构，所以能够在单胞A和单胞B之间互相传递扭转力和趋势，使得整个负泊松比结构的扭转系统更大，当受到冲击时能够尽可能多的分散到所有单胞1去承受，进而使单个单胞1受到的冲击降低，整个结构承受扭转冲击的能力更高。

实施例2

本实施例2主要叙述扭转负泊松比结构应用于门板7使用。

如图1-图8所示，本发明还提供一种门板结构，包括外板围成的空心门板7，门板7内填充有的基于极小曲面的扭转负泊松比结构。曲面扭杆6的端部为平行于单胞1阵列方向的平面。单胞1在XYZ三方向分别至少阵列三层。

具体的，曲面扭杆6的端部即上扭转层2和下扭转层3的端部为平面，使所有单胞1的上扭转层2和下扭转层3的外侧未连接端5部共面，从而更容易的抵接在门板7内壁并固定连接，传递冲击力更均匀。单胞1在XYZ三方向分别至少阵列三层，例如三层、五层、七层等奇数层阵列，这样可以保持扭转负泊松比结构的对称性，例如由交错阵列所造车的中间层会比其两侧层的外围凹陷或突出，而采用3*3*3(表示长X宽X高)的方式组成的扭转负泊松比结构具有比2*3*2或3*2*4更高的对称性，对于冲击力的分散更均匀。

将此结构填充到防盗门门板7中，当防盗门门板7受到冲击时，载荷会通过门板7传入到里面的结构中，当结构受到载荷冲击时，上扭转层2和下扭转层3会发生扭转，也会带动扭转连杆4发生扭转，扭转的同时能够起到增加能量吸收的效果，在结构受到载荷变形的同时会有负泊松比效果，起到更好的吸能抗冲击的效果。当受到大冲击的时候，结构会进入致密化的阶段，进入致密化后，使得材料的刚度和强度都会大大提升，结构就能更好的抵挡冲击。在受到小冲击时，相比于传统防盗门结构更加的稳定，小幅度凹陷可以借助扭转性能自行回复，而且在受到冲击时结构会发生致密化，从而变形就不会像传统防盗门那样发生较大的凹陷变形；在受到大冲击时，通过部件的扭转从而达到更好的吸能效果，能够更好的吸能耗能。

实施例3

本实施例3主要叙述扭转负泊松比的构造方法：

如图1-图6所示，单胞1由四个部件组成，相同大小以及尺寸的上扭转层2和下扭转层3，连接上扭转层2和下扭转层3的扭转连杆4，以及扭转连杆4上的连接端5。

先利用极小曲面函数F(x,y,z)＝sin(x)cos(y)+sin(y)cos(z)+sin(z)cos(x)构造曲线(基于极小曲面制造的部件具有更好的比刚度与比强度)，然后确定上扭转层2的宽度d与曲线的范围【f，g】，将构造的曲线向上平移相应的宽度d，然后用直线将两条曲线相连接，构成闭合区域，然后将这两条曲线与连接的直线旋转90°构成封闭区域，然后对构成的封闭区域拉伸厚度a即为上扭转层2和下扭转层3。

而扭转连杆4则是由上扭转层2的下表面和下扭转层3的上表面的同样大小的草图(两端弧长为e，且弧长为上扭转层2和下扭转层3的边界曲线，两条直线宽为d围成的闭合区域)中相应的点在同一条周边圆的曲线上，从而闭合区域的四个点能够做出四条周边圆曲线(四条周边圆两种半径大小，为R1，R2)，四条周边圆曲线与两个闭合区域构成了一个密闭空间，对四条周边圆曲线放样，从而就建出了扭转连杆4。

连接端5在是在扭转连杆4的正中间基础上拉伸一个与上扭转层2轮廓，大小均一致的实体即可。建立一个扭转连杆4和连接端5之后，剩下三个扭转连杆4和连接端5(一共有四个扭转连杆4和四个连接端5)按照相同的方法即可。

图3-图4中a代表的是上扭转层2和下扭转层3的厚度，b代表的是连接端5的厚度，c代表的是扭转连杆4的宽度，d代表的是上扭转层2的宽度，e代表的是上扭转层2与下扭转层3之间的距离。

所设计的阵列结构的每一层是由3×3的单胞1组合而成，与最中间相连接的单胞1需在竖直方向上抬升(e-b)/2的距离，并且连接处如图5-图7所示使得单胞B的连接端5与单胞A的下扭转层3重合；在另一边的连接处为单胞A的下扭转层3与单胞C的连接端5重合，别的单胞1中间的连接也是相同的连接方法。阵列完这一层之后将这一层所有的单胞1全部在竖直方法阵列，向上阵列距离为e+a，使得上一层的上扭转层2的下表面与下一层的下扭转层3的上表面相重合，然后依次阵列即可。

为了方便说明，本实施例将提供一组可用于完成本结构的数据，取值为:a＝3mm，b＝3mm，c＝4.7mm，d＝3mm，e＝(8π-3)mm，f＝-4π，g＝4π，R₁＝16.745mm，R₂＝19.74mm。上扭转层的其中一条基于极小曲面函数的曲线取y＝-4arctansin(1/4*x)。(*表示乘)。

本发明的原理及方式：

通过四个扭转连杆4分别固定连接上扭转层2和下扭转层3对应的四组外端部，形成单胞1整体结构，单胞1交错阵列并相互连接组成扭转负泊松比结构，由于连接端5和曲面扭杆6的端部之间曲率相同，且借助扭转连杆4本身的曲面结构，所以能够在相邻之间互相传递扭转力和趋势，使得整个负泊松比结构的扭转系统更大，当受到冲击时能够尽可能多的分散到所有单胞1去承受，进而使单个单胞1受到的冲击降低，整个结构承受扭转冲击的能力更高。

将此结构填充到防盗门门板7中，当防盗门门板7受到冲击时，载荷会通过门板7传入到里面的结构中，当结构受到载荷冲击时，上扭转层2和下扭转层3会发生扭转，也会带动扭转连杆4发生扭转，扭转的同时能够起到增加能量吸收的效果，在结构受到载荷变形的同时会有负泊松比效果，起到更好的吸能抗冲击的效果。当受到大冲击的时候，结构会进入致密化的阶段，进入致密化后，使得材料的刚度和强度都会大大提升，结构就能更好的抵挡冲击。在受到小冲击时，相比于传统防盗门结构更加的稳定，小幅度凹陷可以借助扭转性能自行回复，而且在受到冲击时结构会发生致密化，从而变形就不会像传统防盗门那样发生较大的凹陷变形；在受到大冲击时，通过部件的扭转从而达到更好的吸能效果，能够更好的吸能耗能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于极小曲面的扭转负泊松比结构，其特征在于，包括若干阵列并相互连接的单胞，所述单胞包括上扭转层、下扭转层和扭转连杆，所述上扭转层和所述下扭转层均为由两根双曲面扭杆正交连接而成的极小曲面体，使所述上扭转层和所述下扭转层分别具有四个端部，且所述上扭转层与所述下扭转层位置对应的端部之间分别通过所述扭转连杆连接，所述扭转连杆上向外延伸的设有连接端；

上下相邻阵列的所述单胞之间，其中一所述单胞与其中另一所述单胞共用所述上扭转层或所述下扭转层；

左右相邻阵列的所述单胞之间，其中一所述单胞的所述上扭转层或所述下扭转层与其中另一所述单胞的所述扭转连杆的连接端连接。

2.根据权利要求1所述的基于极小曲面的扭转负泊松比结构，其特征在于，所述扭转连杆为曲面形结构，由两端向所述上扭转层和所述下扭转层的内部内凹弯曲。

3.根据权利要求2所述的基于极小曲面的扭转负泊松比结构，其特征在于，所述连接端位于所述扭转连杆的中部。

4.根据权利要求2所述的基于极小曲面的扭转负泊松比结构，其特征在于，所述双曲面扭杆由两段曲面扭杆相接而成，两段所述曲面扭杆关于其连接点呈中心对称布置。

5.根据权利要求4所述的基于极小曲面的扭转负泊松比结构，其特征在于，所述扭转连杆上的连接端为曲面结构。

6.根据权利要求5所述的基于极小曲面的扭转负泊松比结构，其特征在于，所述连接端与所述曲面扭杆的端部之间以曲率相同的结构连接。

7.根据权利要求1所述的基于极小曲面的扭转负泊松比结构，其特征在于，所述上扭转层和所述下扭转层平行设置。

8.一种包含如权利要求1-7任一所述的扭转负泊松比结构的门板结构，其特征在于，扭转负泊松比结构填充于空心门板内。

9.根据权利要求8所述的门板结构，其特征在于，所述曲面扭杆的端部为平行于所述单胞阵列方向的平面。

10.根据权利要求8所述的门板结构，其特征在于，所述单胞在XYZ三方向分别至少阵列三层。

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