CN116561869A - 一种基于压扭的三维负泊松比超材料及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于压扭的三维负泊松比超材料及其设计方法。本发明的三维负泊松比超材料包括多个阵列排布并相互连接的旋转单元，旋转单元包括旋转体和四个均布在旋转体周向上的菱形结构，旋转体为正方形框架，菱形结构包括两个交叉设置的菱形框架，两个菱形框架在两个锐角处相交并连接，四个菱形结构在锐角处以向外倾斜的方式分别连接在旋转体的四个直角处，多个旋转单元以多行多列的方式排列成多个二维旋转单元阵列，二维旋转单元阵列中相邻的旋转单元共用一个菱形结构，多个二维旋转单元阵列中相邻的旋转单元在菱形结构的钝角处连接形成三维负泊松比超材料。上述三维负泊松比超材料适用范围广，结构稳定性好，负泊松比效果优异。
Description
技术领域
本发明涉及负泊松比超材料技术领域，尤其是涉及一种基于压扭的三维负泊松比超材料及其设计方法。
背景技术
随着生产建设的不断发展，材料科学的发展也日新月异，传统的力学材料在某些特定的领域已经不能满足人们生产生活需要，这使得一些具有特殊力学性能的力学材料引起了人们的兴趣。负泊松比超材料在受压时收缩、受拉时膨胀这一反常的力学特性，使得其具有优秀的抗剪切性和良好的比强度、比刚度和可定制性，这样的力学性能使得负泊松比超材料在车辆船舶、航空航天、医疗器械、桥梁建设等方面应用广泛。
随着增材制造技术的发展，对于一些复杂蜂窝结构的制造得到了解决。目前，研究人员已经提出一些具有负泊松比特性的旋转单元结构模型。然而，二维的负泊松比旋转单元结构仅仅是面内受载体现负泊松比效果，并不能在面外受载荷展现出负泊松比效果或负泊松比效果不明显，应用场景受到限制；同时，传统的三维旋转单元在受载时往往稳定性较差，力学特性不能平稳地表现出来，负泊松比效果不明显，泊松比的可调节范围小，整体的比吸能效果也有待提高。这些传统结构所存在的缺陷导致在某些特殊应用领域无法满足实际的应用需求。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压扭的三维负泊松比超材料及其设计方法，该三维负泊松比超材料适用范围广，结构稳定性好，负泊松比效果优异。
本发明提供一种基于压扭的三维负泊松比超材料，包括多个阵列排布并相互连接的旋转单元，每一旋转单元包括旋转体和四个均布在旋转体周向上的菱形结构，旋转体为正方形框架，每一菱形结构包括两个交叉设置的菱形框架，两个菱形框架在两个锐角处相交并连接，四个菱形结构在锐角处以向外倾斜的方式分别连接在旋转体的四个直角处，多个旋转单元以多行多列的方式排列成多个二维旋转单元阵列，二维旋转单元阵列中相邻的旋转单元共用一个菱形结构，多个二维旋转单元阵列中相邻的旋转单元在菱形结构的钝角处连接形成三维负泊松比超材料。
在一实施方式中，二维旋转单元阵列包括四个旋转单元，四个旋转单元以两行两列的方式排列，四个二维旋转单元阵列连接形成三维负泊松比超材料。
进一步地，菱形结构与旋转体通过连接块无缝连接。可以理解，连接块的宽度、高度与连接结构相匹配，以实现连接结构的无缝连接。
在一实施方式中，正方形框架的边长c为15-25mm，宽度t为1-3mm，厚度与宽度相同。可以理解，旋转体可调节大小，以便增加泊松比的调节范围。
在一实施方式中，菱形框架为等边菱形框架，等边菱形框架的边长d为20-30mm，宽度t为1-3mm，厚度与宽度相同，锐角θ为70°-80°。菱形框架的长度比例、夹角可调，以增加泊松比的调节范围。
进一步地，在菱形框架的四个角处分别设有连接切面。
进一步地，连接切面呈正方形，且正方形的边长t为1-3mm。
在一实施方式中，两个菱形框架之间的角度δ为60°-90°；菱形结构与旋转体之间的倾角ɑ为10°-30°。菱形结构受力收缩会带动中间的旋转体扭转；菱形结构和旋转体之间的倾角可调节，以调节旋转单元结构整体的扭转角。
在一实施方式中，三维负泊松比超材料的长度L为120-150mm，宽度与长度相同，高度H为110-120mm。
本发明还提供上述三维负泊松比超材料的设计方法，包括如下步骤：
S1：构建边长为d且锐角为θ的菱形，将菱形的各边双向等距偏移t/2，然后双向等距拉伸t/2，再在四个角处切除边长为t的正方形作为连接切面，形成菱形框架；
S2：在菱形框架上绕两个锐角间的轴线旋转复制角度δ，得到菱形结构；
S3：构建边长为c，高度和宽度均为t的正方形框架作为旋转体，将菱形结构在锐角处与旋转体以倾角ɑ通过高度和宽度均为t拉伸而成的连接块连接，将菱形结构和连接块沿旋转体的周向阵列四个，形成旋转单元；
S4：将旋转单元平移和阵列形成三维负泊松比超材料。
本发明提出一种基于压扭的三维负泊松比超材料及其设计方法，不仅在二维面内具有负泊松比效果，在面外受载时也有着良好的负泊松比效果，并且该结构的泊松比具有可定制性；此外，与传统三维旋转结构不同，本发明的三维负泊松比超材料在旋转单元中间加入旋转体，旋转体不仅能够通过旋转增加能量的吸收，同时在受压时的结构吸能过程更加稳定可靠，对提高材料负泊松比性能、增强结构稳定性和普适性等方面具有重要意义。
本发明的实施，至少具有以下优势：
1、本发明的基于压扭的三维负泊松比超材料具有面外负泊松比效果，适用的场景更多，负泊松比效果优异；
2、本发明可以通过调节旋转单元杆长比例、夹角和中间旋转体的大小形状改变整体结构的负泊松比效果，负泊松比的可调节范围大大增强；
3、与传统的负泊松比旋转单元结构相比，本发明的结构在受压时实现了内凹-扭转的耦合，同时旋转体被带动转动，在提高空间使用效率的同时提高了结构的稳定性；
4、本发明的旋转单元与旋转体通过连接块进行无缝连接，并且旋转单元与旋转单元之间通过相同的连接切面进行连接，使结构在受载时更加均匀，极大地提高了结构的稳定性；
5、本发明在旋转单元的中心设计了一个旋转体，能够让整个结构在受冲击变形时更加稳定；同时，结构在变形时，可通过旋转体的转动来提高结构的刚度和吸能效果；
6、本发明的菱形结构与旋转体形成压缩-转动耦合，将一部分压缩能转换为旋转体与结构的转动能，进一步保证了负泊松比优点的情况下提高了结构的吸能效果。
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。
图1为一实施方式的旋转单元的结构示意图；
图2为一实施方式的旋转体的三维尺寸标注图；
图3为一实施方式的菱形框架的二维尺寸标注图；
图4为一实施方式的菱形结构的三维尺寸标注图；
图5为一实施方式的旋转单元连接块的局部放大图；
图6为一实施方式的二维旋转单元阵列的尺寸标注图；
图7为一实施方式的三维负泊松比超材料的尺寸标注图；
图8为一实施方式的三维负泊松比超材料的结构示意图。
附图标记说明：
1：旋转体；2：菱形结构；21：第一菱形框架；22：第二菱形框架；3：连接切面；4：连接块；5：旋转单元；6：二维旋转单元阵列。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
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。
实施例1
结合图1至图8所示，本实施例的基于压扭的三维负泊松比超材料，包括多个阵列排布并相互连接的旋转单元5，每一旋转单元5包括旋转体1和四个均布在旋转体1周向上的菱形结构2，旋转体1为正方形框架，每一菱形结构2包括两个交叉设置的菱形框架(即第一菱形框架21、第二菱形框架22)，两个菱形框架在两个锐角处相交并连接，四个菱形结构2在锐角处以向外倾斜的方式分别连接在旋转体1的四个直角处，多个旋转单元5以多行多列的方式排列成多个二维旋转单元阵列6，二维旋转单元阵列6中相邻的旋转单元5共用一个菱形结构2，多个二维旋转单元阵列6中相邻的旋转单元5在菱形结构2的钝角处连接形成三维负泊松比超材料。
对二维旋转单元阵列6的设置数量以及二维旋转单元阵列6中旋转单元5的设置数量不作严格限制，可根据实际情况合理设置。如图8所示，在本实施例中，二维旋转单元阵列6包括四个旋转单元5，四个旋转单元5以两行两列的方式排列，四个二维旋转单元阵列6连接形成三维负泊松比超材料。可以理解，二维旋转单元阵列6中的旋转单元5在二维结构上是通过菱形结构2的锐角处相互连接，三维负泊松比超材料中的旋转单元5在三维结构上是通过菱形结构2的第二菱形框架22的钝角处相互连接。
菱形结构2与旋转体1通过连接块4无缝连接。可以理解，连接块4的宽度、高度与菱形结构2和旋转体1相匹配，以更好地实现菱形结构2与旋转体1的无缝连接。
在上述结构中，菱形结构2受力收缩会带动中间的旋转体1扭转；菱形结构2和旋转体1之间的倾角可调节，以调节旋转单元5结构整体的扭转角；此外，菱形结构2的长度比例及夹角、旋转体1的大小形状以及菱形结构2与旋转体1之间的倾角可调，以增加泊松比的调节范围。
如图2所示，正方形框架的边长c为15-25mm，宽度t为1-3mm，厚度与宽度相同；如图3所示，菱形框架可以为等边菱形框架，等边菱形框架的边长d为20-30mm，宽度t为1-3mm，厚度与宽度相同，锐角θ为70°-80°。进一步地，在菱形框架的四个角处分别设有连接切面3；连接切面3呈正方形，且正方形的边长t为1-3mm。
如图4、图5所示，第一菱形框架21与第二菱形框架22之间的角度δ为60°-90°；菱形结构2与旋转体1之间的倾角ɑ为10°-30°；如图6、图7所示，三维负泊松比超材料的长度L为120-150mm，宽度与长度相同，高度H为110-120mm。
具体地，本实施例结构的各参数如下：d＝25mm；θ＝73°；t＝2mm；δ＝90°；c＝20mm；ɑ＝20°；L＝132.5mm；H＝114mm。
本实施例的基于压扭的三维负泊松比超材料的设计方法，步骤如下：
S1：构建边长为d且锐角为θ的菱形，将菱形的各边双向等距偏移t/2，然后双向等距拉伸t/2，再在四个角处切除边长为t的正方形作为连接切面3，形成菱形框架；
S2：在菱形框架上绕两个锐角间的轴线旋转复制角度δ，得到菱形结构2；
S3：构建边长为c，高度和宽度均为t的正方形框架作为旋转体1，将菱形结构2在锐角处与旋转体1以倾角ɑ通过高度和宽度均为t拉伸而成的连接块4连接，将菱形结构2和连接块4沿旋转体1的周向阵列四个，形成旋转单元5；
S4：将旋转单元5平移和阵列形成三维负泊松比超材料。
具体地，旋转单元5平移主要用于形成以多行多列方式排列的二维旋转单元阵列6，二维旋转单元阵列6中相邻的旋转单元5共用一个菱形结构2，二维旋转单元阵列6中的旋转单元5在二维结构上是通过菱形结构2的锐角处相互连接；旋转单元5阵列主要用于形成多个二维旋转单元阵列6构成的三维结构，三维结构中的旋转单元5在三维结构上是通过菱形结构2的第二菱形框架22的钝角处相互连接。
本实施例的基于压扭的三维负泊松比超材料不仅在二维面内具有负泊松比效果，在面外受载时也有着良好的负泊松比效果，该结构的泊松比具有可定制性，适用的场景更多；此外，与传统三维旋转结构不同，本实施例的三维负泊松比超材料在旋转单元5中间加入旋转体1，旋转体1不仅能够通过旋转增加能量的吸收，同时在受压时的结构吸能过程更加稳定可靠，在提高空间使用效率的同时提高了结构的稳定性；上述结构在变形时可通过旋转体1的转动来提高结构的刚度和吸能效果，整个结构的适用范围广，结构稳定性好，负泊松比效果优异。
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)
1.一种基于压扭的三维负泊松比超材料，其特征在于，包括多个阵列排布并相互连接的旋转单元，每一旋转单元包括旋转体和四个均布在旋转体周向上的菱形结构，旋转体为正方形框架，每一菱形结构包括两个交叉设置的菱形框架，两个菱形框架在两个锐角处相交并连接，四个菱形结构在锐角处以向外倾斜的方式分别连接在旋转体的四个直角处，多个旋转单元以多行多列的方式排列成多个二维旋转单元阵列，二维旋转单元阵列中相邻的旋转单元共用一个菱形结构，多个二维旋转单元阵列中相邻的旋转单元在菱形结构的钝角处连接形成三维负泊松比超材料。
2.根据权利要求1所述的三维负泊松比超材料，其特征在于，二维旋转单元阵列包括四个旋转单元，四个旋转单元以两行两列的方式排列，四个二维旋转单元阵列连接形成三维负泊松比超材料。
3.根据权利要求1所述的三维负泊松比超材料，其特征在于，菱形结构与旋转体通过连接块无缝连接。
4.根据权利要求1所述的三维负泊松比超材料，其特征在于，正方形框架的边长c为15-25mm，宽度t为1-3mm，厚度与宽度相同。
5.根据权利要求1所述的三维负泊松比超材料，其特征在于，菱形框架为等边菱形框架，等边菱形框架的边长d为20-30mm，宽度t为1-3mm，厚度与宽度相同，锐角θ为70°-80°。
6.根据权利要求1所述的三维负泊松比超材料，其特征在于，在菱形框架的四个角处分别设有连接切面。
7.根据权利要求1所述的三维负泊松比超材料，其特征在于，连接切面呈正方形，且正方形的边长t为1-3mm。
8.根据权利要求1所述的三维负泊松比超材料，其特征在于，两个菱形框架之间的角度δ为60°-90°；菱形结构与旋转体之间的倾角ɑ为10°-30°。
9.根据权利要求1所述的三维负泊松比超材料，其特征在于，三维负泊松比超材料的长度L为120-150mm，宽度与长度相同，高度H为110-120mm。
10.权利要求1-9任一所述的三维负泊松比超材料的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建边长为d且锐角为θ的菱形，将菱形的各边双向等距偏移t/2，然后双向等距拉伸t/2，再在四个角处切除边长为t的正方形作为连接切面，形成菱形框架；
S2：在菱形框架上绕两个锐角间的轴线旋转复制角度δ，得到菱形结构；
S3：构建边长为c，高度和宽度均为t的正方形框架作为旋转体，将菱形结构在锐角处与旋转体以倾角ɑ通过高度和宽度均为t拉伸而成的连接块连接，将菱形结构和连接块沿旋转体的周向阵列四个，形成旋转单元；
S4：将旋转单元平移和阵列形成三维负泊松比超材料。
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