CN118088610A - 一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，包括多个曲边内凹负泊松比蜂窝单胞；曲边内凹负泊松比蜂窝单胞包括：两条对称设置且向对称轴外方向凸起的曲边，曲边外侧设置凸台；两曲边的两端分别连接一条斜向内方向的直边，四条直边分别各自对称；各直边连接一段与其连接的曲边凸起方向相反且长度为其一半的另一半曲边，此半曲边与曲边半径相同；不同曲边连接的半曲边一对一连接，形成首尾相连的封闭结构，最后在每个曲边与直边形成的内角设置弧形顶板。本发明结构简单，且分为两个受力阶段，提高了经典内凹六边形负泊松比蜂窝的吸能特性，并提高了其受力均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及负泊松比超材料领域，尤其是涉及一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构。
背景技术
超材料是一类具有反常物理性质的人工复合结构或材料。负泊松比力学超材料作为超材料的一个重要分支，其与传统正泊松比材料相比，受压缩时横截面不增反减，因此其具有高可设计性、轻量化以及在抗冲击方面的优势。
目前，常见的负泊松比结构有内凹多边形负泊松比结构、手型负泊松比结构、旋转刚体负泊松比结构等。而其中内凹六边形蜂窝结构因其结构简单，应用范围广，研究最为广泛。
专利202210577295公开了一种引入平方函数曲边的负泊松比蜂窝胞元及多胞结构，由两条直边和两条内凹的平方函数曲边连结成封闭结构，取得了更好的能量吸收能力并显著降低了峰值冲击力，但其函数曲边工业制造流程较为复杂，舍弃了其原型内凹六边形的简单性。专利202311433522公开了一种内嵌增强的冲击吸能负泊松比蜂窝点阵结构，将正弦结构嵌入内凹六边形结构中，具有更好的比吸能和更高的吸能效率，但其结构复杂，制造成本明显增大。
目前，对于内凹六边形蜂窝结构的改进大多都是对其内折边的变形，以及在胞元上下边增加支撑等方法，在保留负泊松比的情况下以获得更好的力学性能，对于内凹六边形蜂窝的横边研究普遍较少。
发明内容
本发明鉴于以上问题，提出了一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，在经典内凹六边型负泊松比蜂窝的基础上，将其上下横边和左右连结边改为曲边，让其在保留负泊松比特性的情况下，获得更好的力学性能。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，包括多个曲边内凹负泊松比蜂窝单胞；
所述曲边内凹负泊松比蜂窝单胞包括两条对称设置且向对称轴外方向凸起的曲边，曲边外侧设置凸台；两曲边的两端分别连接一条斜向内方向的直边，四条直边分别各自对称；各直边连接一段半曲边，半曲边与直边另一端连接的曲边的凸起方向相反，且直边的长度为与其连接的半曲边的长度一半；半曲边与曲边半径相同；不同曲边连接的半曲边一对一连接，形成首尾相连的封闭结构；在每个曲边和半曲边与直边形成的内角设置弧形顶板。
所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构通过所述曲边内凹负泊松比蜂窝单胞上下由凸台连接，左右由半曲边形成的平面连接。
所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构的所有胞壁的截面采用T型、工字型、槽型或多边形。
所述的一种曲边内凹负泊松比蜂窝单胞高h，长l，宽b，半曲边与曲边的半径R，直边与半曲边和曲边的切线角度θ，弧形顶板半径r。
所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构除弧形顶板的壁厚为t，弧形顶板壁厚为t/2。
所述r=4h。
所述r=2h。
本发明有如下有益效果：
本发明的凸起曲边结构，能增强结构整体的能量吸收能力。当受到外部压力时，所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构的曲边对接部位会先由曲变直，两两贴合，分担部分能量。然后变型成为内凹六边形蜂窝结构，但此时单胞上下变形直边内力不均，产生将斜边向垂直方向拉伸的力，同时弧形顶板起到支撑作用，抵消部分外力。之后斜边向内弯曲，实现负泊松比效应。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明曲边内凹负泊松比蜂窝结构的等轴侧图。
图2为本发明曲边内凹负泊松比蜂窝结构的正视图。
图3为本发明曲边内凹负泊松比蜂窝单胞的等轴侧图。
图4为本发明曲边内凹负泊松比蜂窝单胞的正视图。
图5为准静态压缩下本发明两种R的曲边内凹负泊松比蜂窝结构和内凹六边形负泊松比蜂窝结构的应力应变图。
图6为准静态压缩下本发明两种R的曲边内凹负泊松比蜂窝结构和内凹六边形负泊松比蜂窝结构的能量吸收对比图。
图7-10为准静态压缩下本发明曲边内凹负泊松比蜂窝结构的压缩模式图。
图中：曲边1、直边2、半曲边3、凸台4、弧形顶板5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
参见图1-4，一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，包括多个曲边内凹负泊松比蜂窝单胞；所述曲边内凹负泊松比蜂窝单胞包括两条对称设置且向对称轴外方向凸起的曲边1，曲边1外侧设置凸台4；两曲边1的两端分别连接一条斜向内方向的直边2，四条直边2分别各自对称；各直边2连接一段半曲边3，半曲边3与直边2另一端连接的曲边1的凸起方向相反，且直边2的长度为与其连接的半曲边3的长度一半；半曲边3与曲边1半径相同；不同曲边1连接的半曲边3一对一连接，形成首尾相连的封闭结构；在每个曲边1和半曲边3与直边2形成的内角设置弧形顶板5。通过采用上述的结构，在经典内凹六边型负泊松比蜂窝的基础上，将其上下横边和左右连结边改为曲边，让其在保留负泊松比特性的情况下，获得更好的力学性能。
进一步的，所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构通过所述曲边内凹负泊松比蜂窝单胞上下由凸台4连接，左右由半曲边3形成的平面连接。通过采用上述的连接结构能够实现单个曲边内凹负泊松比蜂窝单胞的有效连接。
进一步的，所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构的所有胞壁的截面采用T型、工字型、槽型或多边形。通过上述的多种不同截面结构形式，增强了其适应性。
进一步的，所述的一种曲边内凹负泊松比蜂窝单胞高h，长l，宽b，半曲边3与曲边1的半径R，直边2与半曲边3和曲边1的切线角度θ，弧形顶板5半径r。
进一步的，所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构除弧形顶板的壁厚为t，弧形顶板壁厚为t/2。通过采用上述的尺寸关系，保证了曲边内凹负泊松比蜂窝单胞的最佳性能。
进一步的，所述r=4h。
进一步的，所述r=2h。
实施例2：
为了对上述结构进行进一步说明，本实施方式提供了上述结构的建模过程，具体的，如一下所示：
单胞由传统内凹六边形负泊松比蜂窝单胞变形得来，将其上下横边和左右连结边改为曲边。第一步，画出内凹六边形负泊松比蜂窝单胞草图，三点画弧，三点为左上角垂直方向以下取一点，右上角垂直方向以下取一点，上边中点，定义弧半径。第二步，做此弧在端点的切线，定义切线与直边的角度，画出直边。第三步，在内凹六边形负泊松比蜂窝单胞三边交点处垂直方向上偏移半个壁厚，再次进行如上对称操作，画出半曲边。第四步，镜像，并画封闭边。地五步，在直边中点与半曲边中点两点画弧。第六步，薄壁拉伸，得到曲边内凹负泊松比蜂窝单胞。
实施例3：
为了验证本发明中一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构的性能，提供相应的对比试验，具体参见图5，为准静态压缩下本发明两种R的曲边内凹负泊松比蜂窝结构和内凹六边形负泊松比蜂窝结构的应力应变图，通过图中可以得出：本发明在进行准静态压缩时，应力应变曲线呈现两个不同的平台阶段：第一平台阶段曲边和半曲边先发生弯曲，直到两两贴合，形成上下“直边”，此时壁厚变为2t，此阶段直边发生轻微变形，应力值较低，与内凹六边形负泊松比蜂窝结构相当；第二平台阶段直边向内弯折，上下“直边”相互靠近，此阶段应力值显著提高，为内凹六边形负泊松比蜂窝结构的二倍有余。
具体参见图6，为准静态压缩下本发明两种R的曲边内凹负泊松比蜂窝结构和内凹六边形负泊松比蜂窝结构的能量吸收对比图，通过图中可以得出：本发明两种R的曲边内凹负泊松比蜂窝结构吸能水平较之内凹六边形负泊松比蜂窝结构有着显著提升，最高提升为100%。
具体参见图7-10，为准静态压缩下本发明曲边内凹负泊松比蜂窝结构的压缩模式图，通过图中可以得出：本发明进行准静态压缩时变形较为复杂，首先是曲边与半曲边的受压伸展，变形为一平面，此时弧形顶板和直边形成“X”型，但由于弧形顶板壁厚只有直边的一半，受力不均，先行压溃，直边弯折，各个单胞相互靠近，实现负泊松比效应。
本发明具有以下优点：
1、本发明的凸起曲边结构，能增强结构整体的能量吸收能力。当受到外部压力时，所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构的曲边对接部位会先由曲变直，两两贴合，分担部分能量。
2、之后变型成为内凹六边形蜂窝结构，但此时单胞上下变形直边内力不均，产生将斜边向竖直方向拉伸的力，同时弧形顶板起到支撑作用，抵消部分外力，表现出更好的能量吸收性。
3、本发明在承受压缩载荷时发生负泊松比效应。
Claims (7)
1.一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，其特征在于，包括多个曲边内凹负泊松比蜂窝单胞；
所述曲边内凹负泊松比蜂窝单胞包括两条对称设置且向对称轴外方向凸起的曲边（1），曲边（1）外侧设置凸台（4）；两曲边（1）的两端分别连接一条斜向内方向的直边（2），四条直边（2）分别各自对称；各直边（2）连接一段半曲边（3），半曲边（3）与直边（2）另一端连接的曲边（1）的凸起方向相反，且直边（2）的长度为与其连接的半曲边（3）的长度一半；半曲边（3）与曲边（1）半径相同；不同曲边（1）连接的半曲边（3）一对一连接，形成首尾相连的封闭结构；在每个曲边（1）和半曲边（3）与直边（2）形成的内角设置弧形顶板（5）。
2.根据权利要求1所述一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，其特征在于：所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构通过所述曲边内凹负泊松比蜂窝单胞上下由凸台（4）连接，左右由半曲边（3）形成的平面连接。
3.根据权利要求1所述一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，其特征在于：所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构的所有胞壁的截面采用T型、工字型、槽型或多边形。
4.根据权利要求1所述一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，其特征在于：所述的一种曲边内凹负泊松比蜂窝单胞高h，长l，宽b，半曲边（3）与曲边（1）的半径R，直边（2）与半曲边（3）和曲边（1）的切线角度θ，弧形顶板（5）半径r。
5.根据权利要求4所述的一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，其特征在于，所述曲边内凹负泊松比蜂窝结构除弧形顶板的壁厚为t，弧形顶板壁厚为t/2。
6.根据权利要求4所述的一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，其特征在于，所述r=4h。
7.根据权利要求4所述的一种曲边内凹负泊松比蜂窝结构，其特征在于，所述r=2h。
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