CN116705202A - 一种三维双箭头负泊松比结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维双箭头负泊松比结构，涉及负泊松比超材料技术领域。该结构其由多个压扭单元阵列连接而成，压扭单元由若干三维双箭头单胞扭转连接而成，三维双箭头单胞由两个单箭头框体垂直连接而成。本发明设计方法包括：步骤一：在前视基准面上画出单箭头框体的二维草图；步骤二：将单箭头框体的二维草图双向拉伸距离t/2，之后在斜杆与底杆连接处切出边长与厚度均为t的正方形作为点阵结构的连接切面，得到单箭头框体，然后将单箭头框体绕轴线转动角度δ圆周阵列，得到三维双箭头单胞；步骤三：将多个三维双箭头单胞连接并向上线性阵列；步骤四：在平面内构建出三维双箭头负泊松比结构。本发明具有更好力学特性和吸能效果。

Description

一种三维双箭头负泊松比结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及力学负泊松比超材料吸能技术领域，尤其是涉及一种三维双箭头负泊松比结构及其设计方法。

背景技术

随着生产科学的不断迭代发展，人们在诸多领域的工程技术有着日新月异的变化，生产手段提高的同时对于材料科学的要求也越来越高，传统材料的使用空间日趋缩小，甚至在有些领域已经不能满足生产技术要求，因此需要研发出具有超常力学性能的超材料应用在工程建设当中。

负泊松材料作为超材料的一支，有着在受压时收缩受拉时膨胀这一反常的力学特性，这样特殊的力学性能使得负泊松比超材料与传统材料相比有着优秀的比刚度、比强度、抗剪切能力、抗冲击性能和吸声性能。目前，常见的负泊松比超材料结构有内凹结构、手性或反手性结构、刚性多边形结构、重入结构等。这些负泊松比超材料在车辆船舶、航空航天、医疗器械等领域已经发挥着至关重要的作用。

目前，双箭头负泊松比超材料已经有所发展，但是对于三维的双箭头负泊松比超材料的研究较少，目前的双箭头负泊松比超材料大多不具有压缩-扭转的效果，其负泊松比和吸能效果不够显著，在受载荷时结构的稳定性较差。鉴于上述原因，本发明提出一种三维双箭头负泊松比结构及其设计方法，相比于以往的双箭头负泊松比超材料有着压扭的特性，力学特性和吸能效果更好，且具有更大范围的泊松比可调节性，在实际应用中普适性更强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维双箭头负泊松比结构及其设计方法，该结构具有压扭的特性，力学特性和吸能效果更好，且具有更大范围的泊松比可调节性，在实际应用中普适性更强。

一方面，本发明提供一种三维双箭头负泊松比结构，由多个压扭单元在三维空间内呈线性阵列连接而成，所述压扭单元由若干个三维双箭头单胞呈扭转顺序连接而成，所述三维双箭头单胞由两个单箭头框体垂直连接而成，两个所述单箭头框体的斜杆相交的顶点处一体连接形成顶面，两个所述单箭头框体的底杆的中部垂直连接形成底面，各所述斜杆与所述底杆相交处的外侧形成连接切面，所述三维双箭头单胞的所述顶面与相邻的所述三维双箭头单胞的所述连接切面按顺序固定连接。

优选地，所述顶面和所述底面均为十字平面，所述顶面和所述底面相平行。

优选地，所述十字平面的长和宽相等。

优选地，所述连接切面为矩形平面，且所述连接切面与所述顶面相垂直。

优选地，所述矩形平面为正方形。

优选地，所述顶面与所述连接切面无缝胶接或一体连接。

优选地，所述底面位于两根所述斜杆的端部连接线的靠近所述顶面一侧，所述底面的两端分别通过所述底杆与所述斜杆的底端固定连接。

另一方面，本发明提供了上述三维双箭头负泊松比结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：在前视基准面上画出三维双箭头单胞的单箭头框体的二维草图，其中，顶面边长为d，斜杆长度为l，底面边长为d，斜杆与底杆的夹角为θ，根据上述参数绘制出前视图的中线轮廓，将前视图的中线轮廓双向等距偏移距离t/2，得到单箭头框体的二维草图；

步骤二：将单箭头框体的二维草图双向拉伸距离t/2，之后在斜杆与底杆连接处切出边长与厚度均为t的正方形作为点阵结构的连接切面，得到单箭头框体，然后将单箭头框体绕轴线转动角度δ圆周阵列，得到三维双箭头单胞；

步骤三：将多个三维双箭头单胞采用顶面和连接切面连接的方式顺序布置，即可得到单个压扭单元，将单个压扭单元向上线性阵列，且压扭单元的扭转方向相反；

步骤四：在平面内的横向和纵向方向阵列，即可构建出三维双箭头负泊松比结构。

优选地，步骤一中将前视图的中线轮廓双向等距偏移距离t/2后，需对相交的草图线条进行修剪，然后得到单箭头框体的二维草图。

优选地，步骤二中转动角度δ为90°。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

1.本发明结构的负泊松比效果要优于传统的三维双箭头负泊松比超材料，其泊松比调节范围更广、比吸能效果更好、普适性更高且同时保证结构的稳定性；

2.本发明三维双箭头负泊松比结构的扭转角具有可定制性，通过调节压扭单元的扭转方向可以调控结构的扭转特性，当压扭单元在向上阵列的方向均相同时，结构几乎不扭转；当压扭单元在向上阵列的方向依次相反时，结构发生扭转，且当调整三维双箭头单胞的几何参数时亦可改变结构的扭转角度；

3.本发明三维双箭头负泊松比结构在受载时能够实现压缩-扭转耦合的效果，更大程度上提高了结构的吸能效果；

4.通过改变斜杆与底杆的长度比和两杆之间的夹角，可以改变结构的泊松比性能；

5.本发明构建的三维双箭头负泊松比结构相比现有的三维双箭头负泊松比超材料，在扭转角度和泊松比调节方面有着很高的定制范围，在稳定性得到保证的同时也有利于将负泊松比结构进行参数化设计，结构设计简便且普适性较高，便于应用到各种需求场合；

6.本发明三维双箭头负泊松比结构点阵连接处无缝连接，可以改善结构的吸能效果，有效减少应力集中的现象，提高了结构的稳定性。

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为本发明三维双箭头负泊松比结构的三维双箭头单胞结构示意图；

图2是本发明中三维双箭头单胞的二维草图尺寸标注示意图；

图3是本发明中三维双箭头单胞的三维拉伸后尺寸标注示意图；

图4是本发明中三维双箭头单胞组成的单个扭转单元的结构示意图；

图5是本发明中多个扭转单元阵列后的扭转方向示意图；

图6是本发明中扭转单元的两种连接方式示意图；

图7是本发明三维双箭头负泊松比结构的俯视尺寸标注示意图；

图8是本发明三维双箭头负泊松比结构的前视尺寸标注示意图；

图9是本发明三维双箭头负泊松比结构的点阵结构示意图；

附图标记说明：

101：三维双箭头单胞；2：底面；3：底杆；4：斜杆；5：顶面；6：连接切面。

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。

如图1-9所示，本实施例提供一种三维双箭头负泊松比结构，该三维双箭头负泊松比结构由多个压扭单元在三维空间内呈线性阵列连接而成，压扭单元由若干个三维双箭头单胞101呈扭转顺序连接而成。

如图1～3所示，三维双箭头单胞101由两个单箭头框体垂直连接而成，两个单箭头框体的斜杆4相交的顶点处一体连接形成顶面5，两个单箭头框体的底杆3的中部处垂直连接形成底面2，各斜杆4与底杆3相交处的外侧形成连接切面6，三维双箭头单胞101的顶面5与相邻的三维双箭头单胞101的连接切面6按顺序无缝固定连接，实现扭转后的首尾闭环连接，从而得到如图4所示的压扭单元，压扭单元先上下堆叠连接得到图5中结构，图5中上下压扭单元的扭转方向相反，然后将图5中结构在水平面内不同方向进行阵列，即可得到如图6～9所示的具有不同扭转方向和泊松比特性的三维双箭头负泊松比结构。

具体地，顶面5和底面2均为十字平面，十字平面的长和宽相等均为d，且顶面和底面相平行。连接切面6为矩形平面，在本实施例中，该矩形平面为正方形，连接切面6与顶面5相垂直。连接切面6的边长等于斜杆4的厚度t，连接切面6与顶面5间无缝胶接或一体连接。

在本实施例中，斜杆4的长度为l，斜杆4的底端与底杆3的夹角为θ，底面2位于两根斜杆4的端部连接线的靠近顶面5一侧，底面2的两端处分别通过底杆3与斜杆4的底端固定连接。

本实施例同时提供了上述三维双箭头负泊松比结构的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：如图2所示，在前视基准面上画出三维双箭头单胞101的单箭头框体的二维草图，其中，顶面5的边长为d，斜杆4的长度为l，底面2的边长为d，斜杆4与底杆3的夹角为θ，根据上述参数绘制出前视图的中线轮廓，将前视图的中线轮廓向两侧双向等距偏移距离t/2，并对相交的草图线条进行修剪，得到单箭头框体的二维草图；

步骤二：将单箭头框体的二维草图双向拉伸距离t/2，使斜杆4及底杆3的厚度为t，之后在斜杆4与底杆3连接处的外侧切出边长与厚度均为t的正方形作为点阵结构的连接切面6，得到单箭头框体，然后将单箭头框体绕其轴线转动角度δ进行圆周阵列，得到三维双箭头单胞；

步骤三：将多个三维双箭头单胞采用顶面5和连接切面6连接的方式按图4中所示顺序布置，即可得到图4中的单个压扭单元，将单个压扭单元以图5中方式向上线性阵列，且相邻的压扭单元的扭转方向相反，使结构在收到外力时能够发生扭转，且当调整三维双箭头单胞的几何参数时亦可改变结构的扭转角度；

步骤四：在平面内的横向和纵向方向阵列，相邻的压扭结构单元阵列间的扭转方向可根据需求设置为相同或相反，即可构建出如图6～9中不同的三维双箭头负泊松比结构。

如图6所示，三维双箭头负泊松比结构的长度和宽度均为L(mm)，如图7所示，三维双箭头负泊松比结构的整体高度为H(mm)；整体宽度为L(mm)。

在本实施例中，各三维双箭头负泊松比结构及三维双箭头单胞的构造参数如下：顶面5和底面2的边长d＝2(mm)；斜杆4的长度l＝26(mm)；斜杆4与底杆3的夹角θ＝48°；斜杆4的厚度t＝2(mm)；两个单箭头框体的夹角δ＝90°；三维双箭头负泊松比结构的整体高度H＝123.2(mm)；三维双箭头负泊松比结构的整体宽度L＝122.84(mm)。

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)

1.一种三维双箭头负泊松比结构，其特征在于，由多个压扭单元在三维空间内呈线性阵列连接而成，所述压扭单元由若干个三维双箭头单胞呈扭转顺序连接而成，所述三维双箭头单胞由两个单箭头框体垂直连接而成，两个所述单箭头框体的斜杆相交的顶点处一体连接形成顶面，两个所述单箭头框体的底杆的中部垂直连接形成底面，各所述斜杆与所述底杆相交处的外侧形成连接切面，所述三维双箭头单胞的所述顶面与相邻的所述三维双箭头单胞的所述连接切面按顺序固定连接。

2.根据权利要求1所述的三维双箭头负泊松比结构，其特征在于，所述顶面和所述底面均为十字平面，所述顶面和所述底面相平行。

3.根据权利要求2所述的三维双箭头负泊松比结构，其特征在于，所述十字平面的长和宽相等。

4.根据权利要求2所述的三维双箭头负泊松比结构，其特征在于，所述连接切面为矩形平面，且所述连接切面与所述顶面相垂直。

5.根据权利要求4所述的三维双箭头负泊松比结构，其特征在于，所述矩形平面为正方形。

6.根据权利要求1所述的三维双箭头负泊松比结构，其特征在于，所述顶面与所述连接切面无缝胶接或一体连接。

7.根据权利要求3所述的三维双箭头负泊松比结构，其特征在于，所述底面位于两根所述斜杆的端部连接线的靠近所述顶面一侧，所述底面的两端分别通过所述底杆与所述斜杆的底端固定连接。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的三维双箭头负泊松比结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在前视基准面上画出三维双箭头单胞的单箭头框体的二维草图，其中，顶面边长为d，斜杆长度为l，底面边长为d，斜杆与底杆的夹角为θ，根据上述参数绘制出前视图的中线轮廓，将前视图的中线轮廓双向等距偏移距离t/2，得到单箭头框体的二维草图；

步骤二：将单箭头框体的二维草图双向拉伸距离t/2，之后在斜杆与底杆连接处切出边长与厚度均为t的正方形作为点阵结构的连接切面，得到单箭头框体，然后将单箭头框体绕轴线转动角度δ圆周阵列，得到三维双箭头单胞；

步骤三：将多个三维双箭头单胞采用顶面和连接切面连接的方式顺序布置，即可得到单个压扭单元，将单个压扭单元向上线性阵列，且压扭单元的扭转方向相反；

步骤四：在平面内的横向和纵向方向阵列，即可构建出三维双箭头负泊松比结构。

9.根据权利要求8所述的三维双箭头负泊松比结构的设计方法，其特征在于，步骤一中将前视图的中线轮廓双向等距偏移距离t/2后，需对相交的草图线条进行修剪，然后得到单箭头框体的二维草图。

10.根据权利要求8所述的三维双箭头负泊松比结构的设计方法，其特征在于，步骤二中转动角度δ为90°。