CN116168784A - 一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法,所述负泊松比蜂窝结构的最小尺度结构为一级子结构,其被定义为组成该负泊松比蜂窝结构的最基本的组成要素。所述一级子结构排列组合成二级子结构。所述二级子结构组合形成三级子结构,以此类推。最终,所述负泊松比蜂窝结构由多层级的子结构组装而成。所述负泊松比蜂窝结构采用分层级组装的方式,避免了单一结构杆件支撑力及强度不足的情况,同时层级组装也大大加强了整体结构的吸能效果。自相似层级组装的负泊松比结构的生成充分发挥了材料的性能,也弥补了材料属性与结构之间因不协调所带来的不足。与单层的负泊松比蜂窝结构相比,其具有更好的抗冲击性及吸能减震的特性。
Description
技术领域
本发明属于材料结构设计领域,具体涉及一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法。
背景技术
随着汽车、军事、航空航天和其他领域的发展,对更高性能的抗冲击、减震和能量吸收能力的需求越来越大。作为一种典型的轻质超材料,蜂窝因其高强度、刚度和能量吸收能力而广泛应用于这些领域。目前,已经设计和研究了多种蜂窝结构,如六边形蜂窝、星形蜂窝、双箭头蜂窝、手性蜂窝和凹形六边形蜂窝。根据内凹角的数量,凹形蜂巢可分为双箭头蜂巢、凹形六边形蜂巢和星形蜂巢。凹六边形比传统六边形结构具有更好的能量吸收能力。因此,有必要了解与典型蜂窝复合材料结构相比,负泊松比结构在极端荷载下的性能优势,特别是在其抗冲击性和能量吸收方面。
在实际应用中,蜂窝材料的面内变形行为受到了广泛的关注。例如,负泊松比材料广泛应用于汽车行业、海洋行业、医疗行业以及其他领域的传感器。负泊松比夹层蜂窝结构在承受近距离爆炸荷载时表现出优异的抗冲击性。负泊松比材料和结构自发现以来一直被研究用于结构防护领域。且负泊松比结构具有更高的屈服强度、更低的刚度和更好的能量吸收。巧妙利用此结构会发现静态压痕有所改善,特别是在刚度、低冲击速度和抗纤维拔出以及局部损伤方面。在静态和动态载荷下,表现出变形减少、损伤局部化以及更好的弹性响应,在不同的研究中获得了更低的有效剪切模量和更高的最大有效剪切应变以及更好的能量吸收。然而此种结构的应用上限受结构强度的影响最大,针对结构的抗拉强度及韧性不足的情况下,仍然需要对现有的负泊松比结构进行设计。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有负泊松比结构抗冲击强度及韧性不足的问题,提供一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法,所述负泊松比结构最基本的组成要素为一级子结构,表现为基本的桁架结构,二级子结构由一级子结构排列组合而成,三级子结构由二级子结构排列组合而成,以此类推,负泊松比蜂窝结构由多级子结构组装而成;所述方法为通过自相似层级组装的方式将负泊松比蜂窝结构进行有序生成。
一级子结构为该负泊松比蜂窝结构的最小尺度的结构,其被定义为组成该负泊松比蜂窝结构的最基本的组成要素。一级子结构作为最基本的设计单元,通过拼接及组装形成二级子结构、三级子结构,乃至多级的子结构。二级子结构继承并传递了一级子结构的尺寸比例及结构性质。多级子结构的整体形式均与一级子结构保持一致。
进一步地,所述负泊松比结构具有一定的长度尺度L,在该长度尺度下包含多层级的长度尺度Ln,相邻的层级结构中包含固定的放大因子Ln/Ln-1,n根据实际情况和需求设置为4-10。
进一步地,所述一级子结构中包含5根杆件,所成夹角为45°,水平杆件长度为3l。所述的夹角应当是可调节的,一级子结构中的相应尺寸也可根据最终形成的负泊松比蜂窝结构进行合理的设定。
进一步地,所述一级子结构包括硬相材料和软相材料;所述硬相材料可选择弹性模量较大的材料,如玻璃态聚合物;所述软相材料可选择弹性模量较小的材料,以便形成具有高模量对比的结构,如橡胶聚合物。正多边形夹层的中心材料为硬相材料,软相材料通常包围在硬相材料之外,可增强结构本身的强度及韧性;所述硬相材料与软相材料的模量比可根据实际情况选择为50~150:1。
进一步地,所述硬相材料和软相材料通过规定的排列及分配占比形成多种正多边形夹层;所述正多边形夹层为正四边形同心夹层、正六边形同心夹层或正八边形同心夹层。硬相材料与软相材料通过一定的设计及制造技术形成多边形夹层的镶嵌结构。在多边形夹层的选择上,应根据实际需求和相应的强度测试,以便确定更符合吸能及承载效果的结构。
进一步地,所述硬相材料和软相材料中正多边形的半径分别表示为d1,d2;d1,d2应当合理设定,可适当选择d2略大于d1。通过调整d1,d2将软相材料占比控制为15%-35%。设置相邻的一个所述硬相材料和一个软相材料构成一组,用T表示;T=1则表示同心结构只由一个软相材料结构包围一个硬相材料结构组成;正多边形的边数可表示为N;软相材料所占的体积分数可表示为:
若d1=d2=d,则
进一步地,所述的正多边形夹层属于镶嵌结构,通过3D打印对一级子结构进行生成,并同时通过打印和粘结工艺完成不同层级结构的制作,最后制作成型负泊松比蜂窝结构。
本发明相对于现有技术的有益效果为:
(1)一级子结构的材料采用软硬结合的形式,且同心结构也极大的增强了子结构的强度及韧性,可达1.5倍乃至更多。
(2)负泊松比蜂窝结构采用分层级组装的方式,避免了单一结构杆件支撑力及强度不足的情况,同时层级组装也大大加强了整体结构的3-6倍的吸能效果。
(3)自相似层级组装的负泊松比结构的生成充分发挥了材料的性能,也弥补了材料属性与结构之间因不协调所带来的不足,与普通常规的负泊松比蜂窝结构相比,具有更好的抗冲击性及吸能减震的特性,其抗冲击性会表现出2-4倍的提高,使该结构能够承受更加复杂的环境从而获得广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的自相似层级组装的结构示意图。
图2为本发明的一级子结构及构成一级子结构的同心夹层示意图。
其中,1-一级子结构、2-二级子结构、3-三级子结构、4-负泊松比蜂窝结构、11-正四边形同心夹层、12-正六边形同心夹层、13-正八边形同心夹层、101-硬相材料、102-软相材料。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1:
参见附图1,自相似层级组装的结构示意图,一级子结构1为该负泊松比蜂窝结构4中最小尺度的结构,其被定义为组成该负泊松比蜂窝结构4的最基本的组成要素。一级子结构1表现为基本的桁架结构。二级子结构2由一级子结构1排列组合而成。二级子结构2继承并传递了一级子结构1的尺寸比例及结构性质。三级子结构3由二级子结构2排列组合而成,以此类推。最终,负泊松比蜂窝结构4由多层级的子结构组装而成。
参见附图2,一级子结构1及构成一级子结构1的同心夹层的示意图。从一级子结构1的截面处可以看到,一级子结构1的材料主要包括硬相材料101和软相材料102。硬相材料101可选择弹性模量较大的材料,如玻璃态聚合物。软相材料102可选择弹性模量较小的材料,以便形成具有高模量对比的结构,如橡胶聚合物。硬相材料101和软相材料102通过规定的排列及分配占比形成多种正多边形夹层。这些正多边形夹层可以包括正四边形同心夹层11、正六边形同心夹层12、正八边形同心夹层13。在硬相材料101和软相材料102中正多边形的半径可分别表示为d1,d2。设置相邻的一个硬相材料101和一个软相材料102构成一组,用T表示。T=1则表示同心结构只由一个软相材料102结构包围一个硬相材料101结构组成。正多边形的边数可表示为N。软相材料102所占的体积分数可表示为:
若d1=d2=d,则
所述的正多边形夹层属于镶嵌结构,T一般设置为3-6组,N可设置为4,6,8。通过调整d1,d2将软相材料102占比控制为15%-35%。例如,就一级子结构1而言,软相比为20%左右的材料可以吸收纯硬相材料1014倍左右的能量,显示出优异的能量吸收能力。可通过3D打印对一级子结构1进行生成,并同时通过打印和粘结工艺完成不同层级结构的制作,最后制作成型负泊松比蜂窝结构4。在不同的冲击载荷下,与普通负泊松比结构相比,抗冲击性会表现出2-4倍的提高。通过此种方法生成的结构件能够较好的抵抗冲击所带来的破坏,同时也具备高韧性、高效吸能的特点。
以上所述为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进应包含在本发明的保护之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及同等物界定。同时,尽管本文较多地使用了一级子结构1、二级子结构2、三级子结构3、负泊松比蜂窝结构4、正四边形同心夹层11、正六边形同心夹层12、正八边形同心夹层13、硬相材料101、软相材料102等术语,但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (7)
1.一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法,其特征在于:所述负泊松比结构最基本的组成要素为一级子结构(1),表现为基本的桁架结构,二级子结构(2)由一级子结构(1)排列组合而成,三级子结构(3)由二级子结构(2)排列组合而成,以此类推,负泊松比蜂窝结构(4)由多级子结构组装而成;所述方法为通过自相似层级组装的方式将负泊松比蜂窝结构进行有序生成。
2.根据权利要求1所述的一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法,其特征在于:所述负泊松比结构具有一定的长度尺度L,在该长度尺度下包含多层级的长度尺度Ln,相邻的层级结构中包含固定的放大因子Ln/Ln-1,n为4-10。
3.根据权利要求1所述的一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法,其特征在于:所述一级子结构(1)包含5根杆件,所成夹角为45°,水平杆件长度为3l。
4.根据权利要求1所述的一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法,其特征在于:所述一级子结构(1)包括硬相材料(101)和软相材料(102);正多边形夹层的中心材料为硬相材料,软相材料包围在硬相材料之外;所述硬相材料与软相材料的模量比可根据实际情况选择为50~150:1。
5.根据权利要求4所述的一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法,其特征在于:所述硬相材料(101)和软相材料(102)通过规定的排列及分配占比形成多种正多边形夹层;所述正多边形夹层为正四边形同心夹层(11)、正六边形同心夹层(12)或正八边形同心夹层(13)。
6.根据权利要求4或5所述的一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法,其特征在于:所述硬相材料(101)和软相材料(102)中正多边形的半径分别表示为d1,d2;通过调整d1,d2将软相材料(102)占比控制为15%-35%。
7.根据权利要求5所述的一种自相似层级组装的负泊松比结构设计方法,其特征在于:所述的正多边形夹层属于镶嵌结构,通过3D打印对一级子结构(1)进行生成,并同时通过打印和粘结工艺完成不同层级结构的制作,最后制作成型负泊松比蜂窝结构(4)。
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