CN117077318B - 横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其横向收缩型组合六边形结构单元的四根外斜杆与中间两根长立杆组成外凸六边形，四根内斜杆与中间两根长立杆组成内凹六边形，上、下端的两外斜杆的铰点与两内斜杆的铰点之间分别通过一根短立杆连接；外斜杆与内斜杆的中部均设有复合铰链，复合铰链包括四根短杆，四根短杆首尾依次铰接相连形成可折叠或展开的四边形，两个相对设置的铰点分别与外斜杆/内斜杆相连，在初始状态下，复合铰链呈折叠状态且与外斜杆/内斜杆共线，此时复合铰链只能承受拉力而不能承受压力。本发明能够实现面内拉伸或压缩状态下均表现为横向收缩的横截面变形特征，且材料利用率较高、泊松比绝对值较大。
Description
技术领域
本发明涉及力学超结构技术领域，具体涉及一种横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构。
背景技术
力学超材料/结构以其优异的力学性能而备受关注，例如具有特殊的比强度，比刚度以及优异的抗冲吸能能力等。力学超结构通过其内在结构设计而非其化学成分实现自然材料所不具备的特殊力学性能。力学超结构设计的重点在于结构功能单元的力学性能，通常包括弹性模量、剪切模量、体积模量、泊松比或热膨胀系数等。根据超材料结构功能单元所调控的力学参数的不同，力学超结构可以细分为任意泊松比超材料、剪切模量消隐五模式反胀超材料、负可压缩性超材料、负/零热膨胀超材料和可调刚度超材料。此外，可以通过对泊松比、压缩性和热膨胀等性能进行正，零，负三种调制，可使材料在温度，力场等条件下产生各种形状变形。因此，力学超结构在精密仪器(如机器人，医疗器械和航空航天设备等)及其他应用方面有着重要潜力。
负泊松比力学超结构在拉伸时，结构能够横向扩张，当其受压缩时，横向反而发生收缩。由于负泊松比力学超结构具有反常的泊松比性能，在医疗器械，航空航天和冲击防护等领域备受关注。然而，负泊松比力学超结构在拉伸和压缩状态下的泊松比均为负，无法实现横向始终扩张或者始终收缩。而在实践应用中，存在无论是拉伸还是压缩状态下，结构横向均扩张或收缩的需求。目前，具有拉伸与压缩状态下泊松比异号特性的力学超结构较少，而且材料利用率不高或者泊松比绝对值较小是这类力学超结构普遍存在的问题。
中国专利CN115163717A公开了一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料及其设计方法，其包括形状呈内凹六边形的框架结构，在框架结构的两侧设置有向外凸出的折角结构，在框架结构和折角结构之间设置有四边形材料，所述四边形材料为抗拉但不抗压的高分子材料加工制成的。该新型复合超材料既能呈现正泊松比又能呈现负泊松比的性质，其在纵向不管受压还是受拉时，横向变形总是向内收缩的，丰富了超材料的功能，扩大了超材料的实际应用范围。然而，该新型复合超材料至少由两种材料组成，相对于一种材料，存在加工程序复杂和成本较高的问题。此外，该复合超材料的第一四边形材料为填充材料，使得复合超材料的整体材料利用率较低。同时，该复合超材料的泊松比转化性能依靠某高分子材料的特殊性能(即抗拉但不抗压)，为其局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，它能够实现无论是面内拉伸还是压缩状态下，均表现为横向收缩的横截面变形特征，且材料利用率较高，而且泊松比绝对值较大。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，包括若干个横向收缩型组合六边形结构单元；每一所述横向收缩型组合六边形结构单元包括四根外斜杆、四根内斜杆、两根长立杆、两根短立杆和若干个复合铰链，其中，横向收缩型组合六边形结构单元上端包括两根外斜杆和两根内斜杆、下端包括两根外斜杆和两根内斜杆，四根外斜杆与中间两根长立杆组成外凸六边形，四根内斜杆与中间两根长立杆组成内凹六边形，上端的两外斜杆的铰点与两内斜杆的铰点之间通过一根所述短立杆连接，下端的两外斜杆的铰点与两内斜杆的铰点之间通过另一根所述短立杆连接，各杆件之间均为铰接；所有外斜杆与内斜杆的中部均设有至少一个所述复合铰链，所述复合铰链包括四根短杆，所述四根短杆首尾依次铰接相连形成可折叠或展开的四边形，其中两个相对设置的铰点分别与外斜杆/内斜杆相连，在初始状态下，所述复合铰链呈折叠状态且与外斜杆/内斜杆共线，此时复合铰链只能承受拉力而不能承受压力。
上述方案中，当所述横向收缩型组合六边形结构单元受压时，外载荷方向沿着短立杆长度方向指向结构内部，此时所有外斜杆上的复合铰链展开使内斜杆缩短，结构横向向内收缩。
上述方案中，当所述横向收缩型组合六边形结构单元受拉时，外载荷方向沿着短立杆长度方向指向结构外部，此时所有内斜杆上的复合铰链展开使外斜杆缩短，结构横向向内收缩。
上述方案中，所述复合铰链的四根短杆的长度相等，在折叠状态时，复合铰链呈直线形态。
上述方案中，每根外斜杆和内斜杆的中点设置一个所述复合铰链。
上述方案中，每根外斜杆和内斜杆上设置数量相同的多个所述复合铰链，多个所述复合铰链沿杆件长度方向依次排布。
上述方案中，所述复合铰链还包括四个可转动铰链，两根短杆之间通过所述可转动铰链相连。
上述方案中，所述复合铰链采用塑性材料，两根短杆之间通过结构自身变形的塑性铰相连。
上述方案中，所述横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构包括呈矩阵分布的多个横向收缩型组合六边形结构单元，横向相邻两个组合六边形结构单元共用一个长立杆；垂向相邻两个组合六边形结构单元通过短立杆相互连接。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的力学超结构，通过设计横向收缩型组合六边形结构单元，使得结构单元能够实现无论是面内拉伸还是压缩状态下，均表现为横向收缩的横截面变形特征，即结构具有拉伸与压缩状态下泊松比异号的特性。并且本发明设计的横向收缩型组合六边形结构单元，通过采用活动四边形结构的复合铰链，使得结构单元具有拉伸与压缩状态下泊松比异号性能的同时，材料的理论利用率可高达71.4％，理论泊松比绝对值可高达2以上。
2、本发明通过横向收缩型组合六边形结构单元周期排列、组合，得到具有拉伸与压缩状态下泊松比异号性能的力学超结构。
3、相比于现有技术，本发明可由一种材料组成，具有加工程序简单和成本较低的优点。本发明不采用填充结构形式，使得材料利用率较高。此外，本发明其泊松比可转化性能完全由结构形式决定，不依赖材料性能。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构的示意图；
图2是横向收缩型组合六边形结构单元的结构示意图；
图3是横向收缩型组合六边形结构单元的复合铰链的结构示意图；
图4是横向收缩型组合六边形结构单元横向变形示意图。
图中：100、横向收缩型组合六边形结构单元；10、外斜杆；20、内斜杆；30、复合铰链；31、短杆；32、可转动铰链；40、长立杆；50、短立杆；
200、横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构；
300、外载荷。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构200，包括呈矩阵分布的多个横向收缩型组合六边形结构单元100。
如图2所示，每一横向收缩型组合六边形结构单元100包括四根外斜杆10、四根内斜杆20、两根长立杆40、两根短立杆50和若干个复合铰链30。其中，横向收缩型组合六边形结构单元100上端包括两根外斜杆10和两根内斜杆20、下端包括两根外斜杆10和两根内斜杆20，四根外斜杆10与中间两根长立杆40组成外凸六边形，四根内斜杆20与中间两根长立杆40组成内凹六边形，在结构单元上端的两外斜杆10的铰点与两内斜杆20的铰点之间通过一根短立杆50连接，在结构单元下端的两外斜杆10的铰点与两内斜杆20的铰点之间通过另一根短立杆50连接，各杆件之间均为铰接。所有外斜杆10与内斜杆20的中部均设有至少一个复合铰链30，如图3所示，复合铰链30包括四根短杆31，四根短杆31首尾依次铰接相连形成可折叠或展开的四边形，其中两个相对设置的铰点分别与外斜杆10/内斜杆20相连。在初始状态下，横向收缩型组合六边形结构单元100的复合铰链30呈折叠状态且与外斜杆10/内斜杆20共线，此时复合铰链30只能承受拉力而不能承受压力。
如图4所示，当横向收缩型组合六边形结构单元100受到压缩时，外载荷300方向沿着短立杆50长度方向指向结构内部，外斜杆10受到压缩，内斜杆20受到拉伸。由于此时复合铰链30只能承受拉力而不能承受压力，外斜杆10可自由缩短。此时结构变形与内凹六边形相似，即横向向内收缩。
当横向收缩型组合六边形结构单元100受到拉伸时，外载荷300方向沿着短立杆50长度方向指向结构外部，外斜杆10受到拉伸，内斜杆20受到压缩。由于此时复合铰链30只能承受拉力而不能承受压力，内斜杆20可自由缩短。此时结构变形与外凸六边形相似，即横向向内收缩。
因此，本发明提出的力学超结构，它能够实现无论是面内拉伸还是压缩状态下，均表现为横向收缩的横截面变形特征，即结构具有拉伸与压缩状态下泊松比异号的特性。并且本发明设计的横向收缩型组合六边形结构单元100，通过采用活动四边形结构的复合铰链30，使得结构单元具有拉伸与压缩状态下泊松比异号性能的同时，材料的理论利用率高达71.4％，理论泊松比绝对值高达2以上。需要解释的是，材料的理论利用率是指参与抵抗变形的结构质量与总质量的比值，对于本发明，在受到拉伸时，外斜杆10未参与抵抗变形，假设外斜杆10、内斜杆20、长立杆40、短立杆50的长度及质量比均为1:1:2:1，则其材料利用率为(14-4)/14＝71.4％。材料的理论泊松比是指载荷横向变形量与载荷方向变形量之间的比值。对于本发明，假设内斜杆20与短立杆50之间的夹角为θ，则理论泊松比为：式中，d表示求导符号，l为外斜杆10长度。显然当θ较小时，1/tanθ大于2。事实上，当内斜杆20与外斜杆10等长时，θ越小，短立杆50与外斜杆10的长度比值越大，材料利用率越大。即θ越小，材料利用率与理论泊松比越大。
进一步优化，复合铰链30的四根短杆31的长度相等，在折叠状态时，复合铰链30呈直线形态。
进一步优化，每根外斜杆10和内斜杆20的中点设置一个复合铰链30。也可以根据需要在每根外斜杆10和内斜杆20上设置数量相同的多个复合铰链30，多个复合铰链30沿杆件长度方向依次排布。
进一步优化，复合铰链30还包括四个可转动铰链32，两根短杆31之间通过可转动铰链32相连。当复合铰链30采用塑性材料时，复合铰链30可不包含可转动铰链32，两根短杆31之间通过结构自身变形的塑性铰相连。
进一步优化，横向相邻两个组合六边形结构单元共用一个长立杆40；垂向相邻两个组合六边形结构单元通过短立杆50相互连接。将图1所示二维力学超结构截面沿垂向于纸面方向拉伸，可形成类蜂窝状力学超结构。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长立杆”、“短立杆”、“内斜杆”、“外斜杆”、“短杆”等用来指示和区分结构构件，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构件必须具有术语中所包含的特征，因此不能理解为对本发明的限制。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (9)
1.一种横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其特征在于，包括若干个横向收缩型组合六边形结构单元；
每一所述横向收缩型组合六边形结构单元包括四根外斜杆、四根内斜杆、两根长立杆、两根短立杆和若干个复合铰链，其中，横向收缩型组合六边形结构单元上端包括两根外斜杆和两根内斜杆、下端包括两根外斜杆和两根内斜杆，四根外斜杆与中间两根长立杆组成外凸六边形，四根内斜杆与中间两根长立杆组成内凹六边形，上端的两外斜杆的铰点与两内斜杆的铰点之间通过一根所述短立杆连接，下端的两外斜杆的铰点与两内斜杆的铰点之间通过另一根所述短立杆连接，各杆件之间均为铰接；所有外斜杆与内斜杆的中部均设有至少一个所述复合铰链，所述复合铰链包括四根短杆，所述四根短杆首尾依次铰接相连形成可折叠或展开的四边形，其中两个相对设置的铰点分别与外斜杆/内斜杆相连，在初始状态下，所述复合铰链呈折叠状态且与外斜杆/内斜杆共线，此时复合铰链只能承受拉力而不能承受压力。
2.根据权利要求1所述的横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其特征在于，当所述横向收缩型组合六边形结构单元受压时，外载荷方向沿着短立杆长度方向指向结构内部，此时所有外斜杆上的复合铰链展开使内斜杆缩短，结构横向向内收缩。
3.根据权利要求2所述的横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其特征在于，当所述横向收缩型组合六边形结构单元受拉时，外载荷方向沿着短立杆长度方向指向结构外部，此时所有内斜杆上的复合铰链展开使外斜杆缩短，结构横向向内收缩。
4.根据权利要求1所述的横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其特征在于，所述复合铰链的四根短杆的长度相等，在折叠状态时，复合铰链呈直线形态。
5.根据权利要求1所述的横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其特征在于，每根外斜杆和内斜杆的中点设置一个所述复合铰链。
6.根据权利要求1所述的横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其特征在于，每根外斜杆和内斜杆上设置数量相同的多个所述复合铰链，多个所述复合铰链沿杆件长度方向依次排布。
7.根据权利要求1所述的横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其特征在于，所述复合铰链还包括四个可转动铰链，两根短杆之间通过所述可转动铰链相连。
8.根据权利要求1所述的横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其特征在于，所述复合铰链采用塑性材料，两根短杆之间通过结构自身变形的塑性铰相连。
9.根据权利要求1所述的横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构，其特征在于，所述横向收缩型拉伸与压缩状态下泊松比异号的力学超结构包括呈矩阵分布的多个横向收缩型组合六边形结构单元，横向相邻两个组合六边形结构单元共用一个长立杆；垂向相邻两个组合六边形结构单元通过短立杆相互连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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