CN117325513B - 一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，包括上面板、下面板及设置在所述上面板、所述下面板之间的蜂窝夹芯层；所述蜂窝夹芯层由并联型三维蜂窝胞元经过横向和纵向线性阵列而成。本发明采用由并联型二维蜂窝胞元在垂直方向上经过十字交叉而成的并联型三维蜂窝胞元通过横向和纵向线性阵列排布，在蜂窝胞元布置上能够更好的展现出蜂窝胞元结构的负泊松比特性，当蜂窝夹芯板的上表面受到压力载荷时，并联型负泊松比三维蜂窝胞元结构会呈现出收缩的情况，从而提升蜂窝夹芯板的缓冲、减震和抗冲击性能。进一步地，所述三维蜂窝夹芯板也可以解决现有的二维蜂窝夹芯板空间贯通性差等问题。

Description

一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板
技术领域
本发明涉及一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，属于新材料和新结构领域。
背景技术
在大自然中，大部分天然材料都能体现出正泊松比效应，即在受拉时，在垂直于材料的拉应力的方向会发生收缩；反之，在受压时，在垂直于材料的压应力方向上会发生膨胀。而随着科学技术的发展，研究人员发现，负泊松比材料有着很多特殊的力学性能，与正泊松比材料的力学性能相反，即该材料在受拉时，在垂直于材料的拉应力的方向会发生膨胀；反之，在受压时，在垂直于材料的压应力方向上会发生收缩。正是由于负泊松比材料特殊的性质，使得负泊松比材料在很多领域，都能表现出与传统材料所不同的优秀的物理和力学性能，包括弹性模量、剪切模量、热冲击强度等。
一般的蜂窝夹芯层结构只停留在二维结构，而且一般的布置方法使蜂窝夹芯层的负泊松比性能无法展现出来，二维蜂窝夹芯板在受到面外冲击时，无法体现出负泊松比结构所带来的拉涨(压缩)特性。三维胞元结构可以在二维胞元结构的基础上，通过组合实现三维立体结构，这种组合的三维蜂窝胞元结构在任何方向上布置都能体现出负泊松比特性，利用蜂窝胞元的负泊松比特性来提升夹层结构的抗冲击特性。而目前关于具有负泊松比特性的三维蜂窝胞元结构研究较少，为了弥补三维蜂窝胞元结构在特殊应用场合不足的问题，因此有必要设计新的三维蜂窝夹芯板。
发明内容
本发明提供了一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，以用于通过合理地设计并联型三维蜂窝胞元并经横向和纵向阵列而成蜂窝夹芯层，并进一步将蜂窝夹芯置于上下面板之间形成蜂窝夹芯板。
本发明的技术方案是：一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，包括上面板、下面板及设置在所述上面板、所述下面板之间的蜂窝夹芯层；所述蜂窝夹芯层由并联型三维蜂窝胞元经过横向和纵向线性阵列而成。
所述并联型三维蜂窝胞元由并联型二维蜂窝胞元在垂直方向上经过十字交叉而成。
所述并联型二维蜂窝胞元包括：四个连杆、四个泊松比杆、四个连接件和两个组合杆；所述四个连杆分别为第一连杆11、第二连杆12、第三连杆13、第四连杆14，所述两个组合杆分别为第一组合杆41、第二组合杆42；所述四个泊松比杆、四个连接件和两个组合杆安装在呈回字形布置的四个连杆之间，且任意相邻的两个连杆之间存在间距，第一连杆11、第二连杆12呈平行，第三连杆13、第四连杆14呈平行；所述组合杆包括圆弧杆、与第一连杆11呈平行布置的直杆，直杆一端与圆弧杆中部连接，第一组合杆41的直杆另一端与第三连杆13连接，第二组合杆42的直杆另一端与第四连杆14连接，两个呈相对布置的组合杆中圆弧杆一端分别通过连接件经泊松比杆与第一连杆11连接，两个呈相对布置的组合杆中圆弧杆另一端分别通过连接件经泊松比杆与第二连杆12连接。
所述泊松比杆采用正泊松比杆或者负泊松比杆。
所述连接件呈直角设计，四个连接件呈四角布局；所述泊松比杆采用正泊松比杆，正泊松比杆与连杆的外角呈夹角布局；所述泊松比杆采用负泊松比杆，负泊松比杆与连杆的内角呈夹角布局。
本发明的有益效果是：本发明采用由并联型二维蜂窝胞元在垂直方向上经过十字交叉而成的并联型三维蜂窝胞元通过横向和纵向线性阵列排布，在蜂窝胞元布置上能够更好的展现出蜂窝胞元结构的负泊松比特性，当蜂窝夹芯板的上表面受到压力载荷时，并联型负泊松比三维蜂窝胞元结构会呈现出收缩的情况，从而提升蜂窝夹芯板的缓冲、减震和抗冲击性能。进一步地，所述三维蜂窝夹芯板也可以解决现有的二维蜂窝夹芯板空间贯通性差等问题。
附图说明
图1为本发明中S1型的并联型二维蜂窝胞元结构示意图；
图2为本发明中S2型的并联型二维蜂窝胞元结构示意图；
图3为本发明中并联型三维蜂窝胞元结构的三维示意图；
图4为本发明中不同圆弧半径的并联型三维蜂窝胞元结构的主视图；
图5为本发明中不同圆弧半径的并联型三维蜂窝胞元在等应变过程中的动态泊松比图；
图6为本发明实施例中并联型三维蜂窝胞元经过轴向和径向阵列形成的蜂窝夹芯层的三维结构示意图；
图7为本发明实施例中并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板的三维结构示意图；
图8为本发明实施例中混合泊松比并联型三维蜂窝胞元组成的蜂窝夹芯层的三维结构示意图；
图9为本发明实施例中时间-吸能曲线图；
图10为本发明实施例中位移-接触力曲线图。
图中各标号为：11-第一连杆、12-第二连杆、13-第三连杆、4-第四连杆、21-第一泊松比杆、22-第二泊松比杆、23-第三泊松比杆、24-第四泊松比杆、31-第一连接件、32-第二连接件、33-第三连接件、34-第四连接件、41-第一组合杆、42-第二组合杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对发明作进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-8所示，一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，包括上面板、下面板及设置在所述上面板、所述下面板之间的蜂窝夹芯层；所述蜂窝夹芯层由并联型三维蜂窝胞元经过横向和纵向线性阵列而成。
进一步地，所述并联型三维蜂窝胞元由并联型二维蜂窝胞元在垂直方向上经过十字交叉而成。
进一步地，所述并联型二维蜂窝胞元为对称结构，包括：四个连杆、四个泊松比杆、四个连接件和两个组合杆；所述四个连杆分别为第一连杆11、第二连杆12、第三连杆13、第四连杆14，所述两个组合杆分别为第一组合杆41、第二组合杆42；所述四个泊松比杆、四个连接件和两个组合杆安装在呈回字形布置的四个连杆之间，且任意相邻的两个连杆之间存在间距，第一连杆11、第二连杆12呈平行，第三连杆13、第四连杆14呈平行；所述组合杆包括圆弧杆、与第一连杆11呈平行布置的直杆，直杆一端与圆弧杆中部连接，第一组合杆41的直杆另一端与第三连杆13连接，第二组合杆42的直杆另一端与第四连杆14连接，两个呈相对布置的组合杆中圆弧杆一端分别通过连接件经泊松比杆与第一连杆11连接，两个呈相对布置的组合杆中圆弧杆另一端分别通过连接件经泊松比杆与第二连杆12连接。
进一步地，所述泊松比杆采用正泊松比杆或者负泊松比杆。
进一步地，所述连接件呈直角设计，四个连接件呈四角布局；所述泊松比杆采用正泊松比杆，正泊松比杆与连杆的外角呈夹角布局；所述泊松比杆采用负泊松比杆，负泊松比杆与连杆的内角呈夹角布局。所述夹角为小于90度的角。
进一步地，根据本发明实施例的另一方面，提供了一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板泊松比调节方法：在不改变并联型三维蜂窝胞元整体的结构尺寸下，通过调整组合杆中圆弧杆的半径可以实现不同的泊松比效应。具体而言，通过对不同半径圆弧杆的并联型三维蜂窝胞元进行排列组合，可以实现不同泊松比效应的蜂窝夹芯层。
进一步地，在本发明所提出的圆弧杆半径r可以取20-30mm(如可以取20mm、22mm、24mm、26mm、28mm和30mm等)。
进一步地，可以在蜂窝夹芯板的蜂窝夹芯层空隙里可以填充具有耐高温和耐腐蚀性能的三元乙丙橡胶等材料，进一步提升夹芯板结构的隔声、降噪和隔热等性能。
下面结合附图，对本发明可选的实施方式进行如下说明：
如图1、2所示，所述四个连杆分别为第一连杆11、第二连杆12、第三连杆13、第四连杆14；所述四个泊松比杆分别为第一泊松比杆21、第二泊松比杆22、第三泊松比杆23、第四泊松比杆24；所述四个连接件分别为第一连接件31、第二连接件32、第三连接件33、第四连接件34；所述两个组合杆分别为第一组合杆41、第二组合杆42。如图1所示，所述泊松比杆采用正泊松比杆，第一泊松比杆21、第二泊松比杆22、第三泊松比杆23、第四泊松比杆24一端与连接件的转角处连接，正泊松比杆另一端与连杆连接处外角呈夹角布局，即第一连杆11与第一泊松比杆21/第二泊松比杆22/第三泊松比杆23/第四泊松比杆24与连杆连接处的外角θ1为小于90度的夹角。如图2所示，所述泊松比杆采用负泊松比杆，第一泊松比杆21、第二泊松比杆22、第三泊松比杆23、第四泊松比杆24一端与连接件的水平部自由端连接，负泊松比杆另一端与连杆连接处内角呈夹角布局，即第一连杆11与第一泊松比杆21/第二泊松比杆22/第三泊松比杆23/第四泊松比杆24与连杆连接处的内角θ2为小于90度的夹角。
如图3所示，为采用正泊松比杆的并联型三维蜂窝胞元，由并联型二维蜂窝胞元在垂直方向上经过十字交叉而得，两个并联型二维蜂窝胞元所在平面相互垂直，两个并联型二维蜂窝胞元轴心重合，两个并联型二维蜂窝胞元的第一连杆进行十字交叉布置且平面重合，两个并联型二维蜂窝胞元的第二连杆进行十字交叉布置且平面重合。第一连杆、第二连杆分别与上面板和下面板接触，进行固定；第三、第四连杆对蜂窝夹芯层受到一定压缩时起到支撑作用。
如图4所示，为在并联型三维蜂窝胞元整体结构参数不变的情况下，通过改变组合杆中圆弧杆的圆弧半径来实现不同泊松比的调节，在圆弧半径r取值20mm、22mm、24mm、26mm、28mm和30mm时，不同圆弧半径的采用正泊松比杆的并联型三维蜂窝胞元在等应变过程中的动态泊松比如图5所示，可以发现，随着胞元半径的逐渐增加，负泊松比效应也在逐渐增加。当蜂窝夹芯板结构受到冲击产生小应变变化时，可以采用胞元半径较小的并联型三维蜂窝胞元结构，此时的负泊松比效应最大；当蜂窝夹芯板结构受到冲击产生大应变变化时，可以采用胞元半径较大的并联型蜂窝胞元结构，此时的负泊松比效应最大。
如图6所示，为采用正泊松比杆的蜂窝夹芯层。如图7所示，为采用正泊松比杆的基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，可以将上面板的下表面与蜂窝夹芯层的上表面进行粘接固定，下面板的上表面与蜂窝夹芯层的下表面进行粘接固定而成。上下面板及蜂窝夹芯层可以采用钢材、铝材、合金钢等一些具有强度、刚度和硬度的金属材料制作。
进一步地，提供了一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板泊松比调节方法，夹芯板的中心处为负泊松比效应最好的圆弧半径为30mm的并联型三维蜂窝胞元结构，以此胞元结构为中心，在此胞元的第一圈布置圆弧半径为(30-n)mm的并联型三维蜂窝胞元结构；第二圈布置圆弧半径为(30-2n)mm的并联型三维蜂窝胞元结构；在第三圈布置圆弧半径为(30-3n)mm的并联型三维蜂窝胞元结构；在第四圈布置圆弧半径为(30-4n)mm的并联型三维蜂窝胞元结构，并联型三维蜂窝胞元的圆弧的半径逐渐向四周递减，直至所有的并联型三维蜂窝胞元布置结束，即可以达到负泊松比效性由夹芯板的中心处向四周逐渐减小的效果。其中，n取正整数。需要说明的是，所述蜂窝夹芯板中并联型三维蜂窝胞元的行数、列数为相等，如果取行、列数为奇数，则胞元结构的中心为一个并联型三维蜂窝胞元，如果行、列数为偶数，则胞元结构的中心为四个并联型三维蜂窝胞元。
实施例2：如图6-8所示，一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板泊松比调节方法，具体为：所述蜂窝夹芯板中并联型三维蜂窝胞元的行数、列数为8，夹芯板的中心处为负泊松比效应最好的圆弧半径为30mm的并联型三维蜂窝胞元结构，以此胞元结构为中心，在此胞元的第一圈布置圆弧半径为28mm的并联型三维蜂窝胞元结构；第二圈布置圆弧半径为26mm的并联型三维蜂窝胞元结构；在第三圈布置圆弧半径为24mm的并联型三维蜂窝胞元结构；在第四圈布置圆弧半径为22mm的并联型三维蜂窝胞元结构，并联型三维蜂窝胞元的圆弧的半径逐渐向四周递减，即可以达到负泊松比效性由夹芯板的中心处向四周逐渐减小的效果。
实施例3：针对不同圆弧半径对S1型和S2型并联型三维蜂窝夹芯板的抗冲击特性和吸能特性的特性，S1型为如图1所示的正泊松比杆型，S2型为如图2所示的负泊松比杆型。此次实验设计了四种并联型三维蜂窝夹芯板，分别为S1型并联型三维蜂窝夹芯板，所述蜂窝夹芯板中并联型三维蜂窝胞元的行数、列数为5，夹芯板的并联型三维蜂窝胞元结构的圆弧半径为30mm；S1型并联型三维蜂窝夹芯板，所述蜂窝夹芯板中并联型三维蜂窝胞元的行数、列数为5，夹芯板的并联型三维蜂窝胞元结构的圆弧半径为20mm；S2型并联型三维蜂窝夹芯板，所述蜂窝夹芯板中并联型三维蜂窝胞元的行数、列数为5，夹芯板的并联型三维蜂窝胞元结构的圆弧半径为30mm；S2型并联型三维蜂窝夹芯板，所述蜂窝夹芯板中并联型三维蜂窝胞元的行数、列数为5，夹芯板的并联型三维蜂窝胞元结构的圆弧半径为20mm。
仿真数据结果如下：
在Abaqus/Explicit显示动力学仿真模型下，S1型和S2型的并联型蜂窝夹芯板结构的结构尺寸为250mm×250mm×52mm(52mm表示图7所示上下方向上的尺寸长，其中，上下面板各厚1mm)，并联型二维蜂窝胞元的整体长宽高L1、L4、h分别为50mm、50mm和4mm(下面涉及的长宽高采用基于并联型二维蜂窝胞元的整体长宽高同一方向进行描述，即L1方向为长度方向，L4方向为宽度方向，h为高度方向)，具体而言，第一、第二连杆的宽度t为2mm，长度L2为42mm；第三、第四连杆的长度为2mm，宽度L3为34mm；四个泊松比杆的长度L5为2mm，宽度L6为6mm(即第一连杆的底面与第三连杆顶面之间的垂直距离为6mm)；连接件的高为2mm，长度L7为9.07mm，宽度L8为8mm；组合杆中圆弧杆的圆弧半径分别为20mm/30mm。半径为10mm的球形冲击器的冲击能量为5J，夹芯板的吸能能量、接触力峰值，中心位移峰值如表1所示，吸能曲线和接触力-中心位移曲线如图9、10所示。从表1和图9中可以看出，在相同的冲击载荷下，随着组合杆中圆弧杆的圆弧半径的减小，S1型结构和S2型结构的夹芯板的接触力峰值和冲击器动能折减率明显减小，最大中心位移明显增加。也就是说，夹层结构的刚度随着半径尺寸的增大而增大。通过实施例2的蜂窝胞元布置方法，可以提升蜂窝夹芯板中心处的抗冲击特性和吸能特性，防止夹芯板中心小区域面积集中受力导致夹芯板中心处压溃的情况。
而在相同的半径和冲击载荷下，S2型结构的接触力峰值和冲击动能折减率要大于S1型结构，且S2型结构的中心位移小于S1型结构。结构表明，在相同的结构参数下，S2型结构的吸能特性和抗冲击特性要大于S1型结构。
表1不同结构参数的数值结果
应用上述技术方案可知，本发明具备的优势如下：(1)本发明提供了一种并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，由上面板、蜂窝夹芯层和下面板组成，此并联型三维蜂窝胞元结构具有负泊松比效应。与均质板结构相比，并联型三维负泊松比结构的存在，改变了夹芯板在受到外部冲击或挤压时的应力集中，同时负泊松比效性可以更好地传递冲击能量，最大幅度的提升蜂窝夹芯板结构的抗冲击特性和能量吸收效果；同时，结构质量大幅度减轻，提升了材料的使用效率，经济效益良好。(2)与传统的二维蜂窝夹芯板相比，蜂窝夹芯层的传统布置方法无法体现蜂窝胞元的泊松比效性，使得蜂窝夹芯板丧失了蜂窝胞元所体现的良好力学性能，而本发明所提出的并联型三维蜂窝胞元结构可以有效的解决这一问题，该结构是具有两个负泊松比效性的并联型二维蜂窝胞元经过十字交叉组合而成，在三维的空间内，当并联型三维蜂窝胞元结构的一个平面受到冲击或挤压时，该结构的其它两个平面都会呈现出负泊松比效应，使得夹芯层呈现出收缩的现象，进而提升夹芯板的抗冲击特性。(3)通过对并联型三维蜂窝胞元结构的泊松比调节，可以实现单胞元结构的不同泊松比效应，同时针对夹芯板结构的受力点和受力区域的不同，可以通过对不同泊松比效应的胞元结构进行排列布置，以达到夹芯板抗冲击性能和吸能效果的最大化。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，其特征在于，包括上面板、下面板及设置在所述上面板、所述下面板之间的蜂窝夹芯层；所述蜂窝夹芯层由并联型三维蜂窝胞元经过横向和纵向线性阵列而成；
所述并联型三维蜂窝胞元由并联型二维蜂窝胞元在垂直方向上经过十字交叉而成；
所述并联型二维蜂窝胞元包括：四个连杆、四个泊松比杆、四个连接件和两个组合杆；所述四个连杆分别为第一连杆（11）、第二连杆（12）、第三连杆（13）、第四连杆（14），所述两个组合杆分别为第一组合杆（41）、第二组合杆（42）；所述四个泊松比杆、四个连接件和两个组合杆安装在呈回字形布置的四个连杆之间，且任意相邻的两个连杆之间存在间距，第一连杆（11）、第二连杆（12）呈平行，第三连杆（13）、第四连杆（14）呈平行；所述组合杆包括圆弧杆、与第一连杆（11）呈平行布置的直杆，直杆一端与圆弧杆中部连接，第一组合杆（41）的直杆另一端与第三连杆（13）连接，第二组合杆（42）的直杆另一端与第四连杆（14）连接，两个呈相对布置的组合杆中圆弧杆一端分别通过连接件经泊松比杆与第一连杆（11）连接，两个呈相对布置的组合杆中圆弧杆另一端分别通过连接件经泊松比杆与第二连杆（12）连接；
所述连接件呈直角设计，四个连接件呈四角布局。
2.根据权利要求1所述的基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，其特征在于，所述泊松比杆采用正泊松比杆或者负泊松比杆。
3.根据权利要求2所述的基于并联型负泊松比三维蜂窝夹芯板，其特征在于，所述泊松比杆采用正泊松比杆，正泊松比杆与连杆的外角呈夹角布局；所述泊松比杆采用负泊松比杆，负泊松比杆与连杆的内角呈夹角布局。
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