CN116877615A - 一种内凹型负泊松比吸能结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及负泊松比超材料，能量吸收技术领域，尤其是涉及一种内凹型负泊松比吸能结构。内凹型负泊松比吸能结构包括多个单胞结构；所述单胞结构包括底部、顶部和肋板；所述底部和顶部为对称结构，底部和顶部位于同一侧的端部通过肋板连接，所述肋板、底部和顶部均为曲线结构。将传统内凹型结构与底部与顶部呈一定角度的直线肋部改成曲线结构，将原有的内凹型结构的顶部与底部也改成曲线结构。通过将肋部改成曲线肋，降低应力集中现象。

Description

一种内凹型负泊松比吸能结构

技术领域

本发明涉及负泊松比超材料，能量吸收技术领域，尤其是涉及一种内凹型负泊松比吸能结构。

背景技术

对于正泊松比材料而言，硬物的压入使得材料物质向两侧流动；而对于负泊松比材料而言，硬物的压入则迫使材料的物质由两侧向中间流动，被硬物压入的局部区域的材料密度瞬时增大，因此能够更好地抵抗局部变形，这在外部则表现为较高的压痕阻力及较高的硬度。

负泊松比材料由于其特殊的构型，带来了很多传统的正泊松比材料无法比拟的力学性能。负泊松比材料在剪切特性、压痕阻力、能量吸收、振动传递等方面具有较为独特的力学性能。对于负泊松比材料而言，由于受压时材料的变形趋于向内收缩，更易于形成致密的结构，其平台应力也相应地会更高，因此同等变形条件下负泊松比材料的吸能效率更高。

众多学者针对内凹负泊松比结构进行了改进，以提高力学承载能力和吸能能力为目标，提出了多种形式的增强构型；其中，对橡胶填充的内凹负泊松比结构的准静态平面压缩研究表明，低密度的填充材料对二维、三维内凹蜂窝结构的有较好的增强作用。所以将低密度泡沫填充到负泊松比结构当中具有很好的前景，而在传统的内凹型结构会在承受载荷时肋部相连接的地方易出现应力集中的现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内凹型负泊松比吸能结构，该吸能结构能够解决现有技术中存在的问题；

本发明提供一种内凹型负泊松比吸能结构，其包括多个单胞结构；

所述单胞结构包括底部、顶部和肋板；

所述底部和顶部为对称结构，底部和顶部位于同一侧的端部通过肋板连接，所述肋板、底部和顶部均为曲线结构。

优选的，所述内凹型负泊松比吸能结构包括外壳，所述外壳由单胞结构阵列而成。

优选的，所述单胞结构阵列分为多行，相邻行的单胞数量相差一个，且相邻行左右两端空出半个单胞距离。

优选的，相邻行空出的单胞距离形成外壳的空隙，空隙内填充泡沫。

优选的，所述泡沫为低密度泡沫。

优选的，所述肋板为余弦函数曲线结构。

优选的，所述肋板包括位于内侧的第一曲线面和位于外侧的第二曲线面；

所述第一曲线面由余弦曲线构成，余弦曲线公式为y＝-3*cos(1/5*x)-12，第二曲线面是由余弦曲线构成，公式为y＝-3*cos(1/5*x)-13，范围从0但10π。

优选的，所述底部和顶部为圆弧结构。

优选的，所述肋板、底部和顶部的具有相同的壁厚。

有益效果：

将传统内凹型结构与底部与顶部呈一定角度的直线肋部改成曲线结构，将原有的内凹型结构的顶部与底部也改成曲线结构。通过将肋部改成曲线肋，降低应力集中现象。

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为本发明具体实施方式提供的外壳等轴测图；

图2为本发明具体实施方式提供的外壳正视图；

图3为本发明具体实施方式提供的单胞等轴测图；

图4为本发明具体实施方式提供的单胞上视图；

图5为本发明具体实施方式提供的单胞前视图；

图6为本发明具体实施方式提供的单胞右视图；

图7为本发明具体实施方式提供的单胞草图；

图8为本发明具体实施方式提供的填充泡沫的等轴测图。

附图标记说明：

1：外壳、2：底部、3：顶部、4：肋板、5：泡沫。

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至图8所示，在本实施方式中，提供了一种内凹型负泊松比吸能结构，其包括多个单胞结构，单胞结构包括底部2、顶部3和肋板4。

底部2和顶部3为对称结构，底部2和顶部3位于同一侧的端部通过肋板4连接，肋板4、底部2和顶部3均为曲线结构。

内凹型负泊松比吸能结构包括外壳1，所述外壳1由单胞结构阵列而成。单胞结构阵列分为多行，相邻行的单胞数量相差一个，且相邻行左右两端空出半个单胞距离。

具体的：本部件外壳1由单胞阵列而成，第一行由四个单胞依次堆叠而成，第二行在是由三个单胞堆叠而成，而第二行则是分布在第一行的旁边，上下个空出半个单胞的距离，第三行则是在第二行的旁边由四个单胞堆叠而成，与第一行对齐，相应地，第四行则是分布在第三行旁边，由三个单胞堆叠而成，与第二行对齐，第五行则是分布在第四行旁边，由四个单胞堆叠而成，与第一，三行对齐。

肋板4为余弦函数曲线结构。肋板4包括位于内侧的第一曲线面和位于外侧的第二曲线面。第一曲线面由余弦曲线构成，余弦曲线公式为y＝-3*cos(1/5*x)-12，第二曲线面是由余弦曲线构成，公式为y＝-3*cos(1/5*x)-13，范围从0但10π。底部2和顶部3为圆弧结构，圆弧结构具有位于内侧的第三曲线和位于外侧的第四曲线。

为了对上述吸能结构进行进一步的说明，本实施方式提供了上述吸能结构的建模过程，具体的，如以下所示：

单胞则是由传统负泊松比构型变形而来，将传统地两根直线构成的直线肋变成余弦函数曲线构成的肋，且上下直线构成的底部2与顶部3也是由曲线围成然后拉伸而成。曲线3(第一曲线)是由余弦曲线构成，余弦曲线公式为y＝-3*cos(1/5*x)-12，曲线4(第二曲线)同样是由余弦曲线构成，公式为y＝-3*cos(1/5*x)-13，范围从0但10π，曲线1(第四曲线)是由三点圆弧所画，第1，2个点为曲线4的端点上面1mm的端点以及与x轴相对称的曲线4的端点下面1mm的点，第三个端点则为第一，二个端点的中点处向右偏移4mm。曲线2则也是三点圆弧构成，三点圆弧的中间点为距离曲线一所用的点的右边1.65mm处，曲线2(第三曲线)圆弧半径为24.3，而此圆弧与y＝-3*cos(1/5*x)-12与y＝3*cos(1/5*x)+12两条曲线的交点即为曲线2以及与曲线2对称的曲线的起点，将曲线1与曲线2沿着曲线3与曲线4的中点连成的直线镜像过去，就构成了单胞的草图，然后拉伸草图，拉伸长度为40mm，就形成了单胞。将单胞拉伸出来以后将其沿着x轴方向沿着10π的距离阵列4个，然后将单胞沿着y方向距离24mm阵列，然后再在x方向上距离5π阵列，得到第二行第一个单胞。然后将其在x方向上距离10π阵列三个，重复以上操作，即可得到三，四，五行，就得到外壳1的雏形。得到外壳1的雏形之后，第一行与最后一行的壁厚均为1mm，因此需要将最上面与最下面的曲线向上和向下阵列1mm，再用直线将对应的端点连接起来，将其闭合区域拉伸，拉伸长度同样为40mm，使得外壳1壁厚保持在2mm。另外还有每一行没与相邻行的单胞相接触的单胞壁厚也为1mm，也只需要在相应的曲线向上平移1mm再用直线连接相应的端点，将其构成的闭合区域拉伸40mm即可，这样就能使得部件的壁厚均为2mm。将外壳1建立出来之后，在空隙处填充入泡沫5，就可以建模出一种填充泡沫5的改良的内凹型负泊松比吸能结构。

本申请提供的吸能结构具有以下优点：

1.本发明提供一种填充泡沫5的改良的内凹型负泊松比吸能结构，通过将原有内凹型结构进行改良，使得此结构相对于内凹型结构具有更好的抗压强度，能够更好地承受载荷和能量吸收。

2.该结构相比于传统地单一负泊松比结构来说填充了低密度泡沫5，能够更好的吸收能量。

3.该改良结构通过将直线肋改成曲线肋，底部2与顶部3均改成曲线，通过将其改成曲线能够使得应力不会像成夹角的肋那样在夹角处出现应力集中的情况。

4.该改良结构的壁厚都是相同的，不会出现有的地方壁过薄从而承受载荷时强度不够的情况。

5.该结构在承受压缩载荷的时候发生负泊松比效应。

综上所述：该改良结构在受到载荷冲击时会发生负泊松比效应，能够较好的吸收能量，而且通过填充低密度泡沫5，能够使得结构的吸能能力得到加强，而且通过将传统的直线构成的成夹角的肋改成曲线构成的曲线，这样能够使得结构在受到压缩载荷时应力不会像传统的内凹型结构那样在连接节点处应力集中，另外结构壁厚均为相同壁厚，也能够使得结构受到冲击载荷的时候不会因某个地方强度不够而先断裂导致结构受到破坏。

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 (9)

1.一种内凹型负泊松比吸能结构，其特征在于，包括多个单胞结构；

所述单胞结构包括底部、顶部和肋板；

所述底部和顶部为对称结构，底部和顶部位于同一侧的端部通过肋板连接，所述肋板、底部和顶部均为曲线结构。

2.根据权利要求1所述的内凹型负泊松比吸能结构，其特征在于，所述内凹型负泊松比吸能结构包括外壳，所述外壳由单胞结构阵列而成。

3.根据权利要求2所述的内凹型负泊松比吸能结构，其特征在于，所述单胞结构阵列分为多行，相邻行的单胞数量相差一个，且相邻行左右两端空出半个单胞距离。

4.根据权利要求3所述的内凹型负泊松比吸能结构，其特征在于，相邻行空出的单胞距离形成外壳的空隙，空隙内填充泡沫。

5.根据权利要求4所述的内凹型负泊松比吸能结构，其特征在于，所述泡沫为低密度泡沫。

6.根据权利要求1所述的内凹型负泊松比吸能结构，其特征在于，所述肋板为余弦函数曲线结构。

7.根据权利要求6所述的内凹型负泊松比吸能结构，其特征在于，所述肋板包括位于内侧的第一曲线面和位于外侧的第二曲线面；

所述第一曲线面由余弦曲线构成，余弦曲线公式为y＝-3*cos(1/5*x)-12，第二曲线面是由余弦曲线构成，公式为y＝-3*cos(1/5*x)-13，范围从0但10π。

8.根据权利要求1所述的内凹型负泊松比吸能结构，其特征在于，所述底部和顶部为圆弧结构。

9.根据权利要求1所述的内凹型负泊松比吸能结构，其特征在于，所述肋板、底部和顶部的具有相同的壁厚。