CN118274058A - 一种三维四手性压扭超材料结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维四手性压扭超材料结构及其制作方法，包括：手性结构单元和连接面板；所述手性结构单元为压扭超材料结构，相邻两个所述手性结构单元之间直接相连或者通过所述连接面板相连。所述手性结构单元具有五个，其中一个所述手性结构单元置于中间，其余四个所述手性结构单元均直接连接在所述手性结构单元的外侧。本发明压扭效果要优于传统的三维压扭超材料，发明中结构的比吸能效果更好、普适性更高且同时保证结构的稳定性。本发明通过改变四手性的扭转方向可以调节结构的扭转，调整手性结构单元的几何参数可以改变结构的扭转角度。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。

Description

一种三维四手性压扭超材料结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及力学超材料技术领域，尤其是涉及一种三维四手性压扭超材料结构及其制作方法。

背景技术

随着科学技术水平的飞速发展，在工程应用方面，自然界所存在的传统常规材料已经无法满足目前的工程应用，所以开始寻求一些性能更加优异的新材料以代替传统材料。超材料是指通过人为的改变材料的内部结构来达到实现控制某一属性的一类新材料，近些年来，超材料飞速发展，衍生出了许多应用于不同领域的超材料，例如力学超材料、声学超材料、光学超材料、热学超材料等。而其中力学超材料具有许多特殊的机械性能，比如能量吸收，压缩扭转，刚度增强等，该材料可应用于许多领域，比如保护装置、传感器、生物医疗、航天航空等一些特殊的领域。

虽然超材料领域发展了达数十年，研究人员已经在该领域取得了许多成果，但目前对于压扭超材料的研究较少，而现存的手性或斜杆压扭结构也大多无法同时兼顾具有显著的压扭效果和优秀的结构稳定性，手性结构的压扭效果有限，而斜杆结构由于其结构特性在受到载荷时容易发生破坏、失稳、偏心、断裂等问题，对压扭效果造成影响，故急需一种压扭效果显著且稳定同时结构简单、便于制造的高强度三维压扭结构。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种压扭效果显著且稳定，同时结构简单、便于制造的三维四手性压扭超材料结构及其制作方法。

本发明提供了一种三维四手性压扭超材料结构，包括：手性结构单元和连接面板；所述手性结构单元为压扭超材料结构，相邻两个所述手性结构单元之间直接相连或者通过所述连接面板相连。

进一步地，所述手性结构单元具有五个，其中一个所述手性结构单元置于中间，其余四个所述手性结构单元均直接连接在所述手性结构单元的外侧，且相邻的两个外侧的所述手性结构单元之间通过所述连接面板相连。

进一步地，所述手性结构单元的高度和厚度与所述连接面板的高度和厚度均一致。

进一步地，所述手性结构单元和所述连接面板的高度均为15mm。

进一步地，所述手性结构单元和所述连接面板的厚度均为2mm。

进一步地，所述三维四手性压扭超材料结构为正方形，其边长为86.27mm。

进一步地，所述手性结构单元包括四个圆弧面和四个直板面，四个所述直板面的一端呈十字交叉状连接于中心一点，四个所述圆弧面均沿同侧连接在四个所述直板面的另一端。

进一步地，所述直板面的长度为20mm。

本发明还提供了一种三维四手性压扭超材料结构的制造方法，包括：

步骤S1，在上视基准面上画出圆弧线，间隔设定的距离a作另一相同圆弧线，将两条圆弧线用直线以首尾相连的方式连接，得到手性结构单元的曲线部分；

步骤S2，建一边长分别为a和b的矩形，将该矩形的短边一侧与曲线部分的直线相重合，得到手性结构的其中一杆，以矩形短边的中点为旋转中心圆周阵列四个，裁剪多余的线段，得到单个手性结构单元的二维草图；

步骤S3，通过将单个手性结构单元的二维草图拉伸H建立手性结构单元结构的三维模型，将该模型镜像阵列于四周，通过两个杆的侧面相连接得到四个与中心结构镜像相反的相同结构，完成整体四手性结构的建模；

步骤S4，分别连接两个相邻的阵列于四周的手性结构单元的侧面，并向下拉伸该草图至H形成四个连接杆连接四手性结构，最终得到了本发明中的三维四手性压扭超材料结构。

进一步地，所述圆弧线为正弦函数曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明所提出的一种新型三维四手性压扭超材料，压扭效果要优于传统的三维压扭超材料，发明中结构的比吸能效果更好、普适性更高且同时保证结构的稳定性。

2.本发明的四手性压扭超材料的扭转效果可以进行调整，通过改变四手性的扭转方向可以调节结构的扭转，调整手性结构单元的几何参数可以改变结构的扭转角度。

3.本发明的四手性压扭超材料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.本发明的三维四手性超材料的最大扭转角度可通过梁的粗细、胞元数目和层数的调节，受压时能产生大幅度、稳定的扭转行为。

5.本发明中构建的新型三维四手性压扭超材料在扭转角度有着较大的调节范围，有利于对稳定性进行参数优化，方便应用于不同的场合。

6.本发明采用的四手性的连接方式，同时中心手性结构的方向与相连的四个手性结构方向相反，可提高该结构的稳定性。

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为本发明实施例一种三维四手性压扭超材料结构的示意图；

图2为本发明实施例一种手性结构单元的示意图。

附图中标记为：

1：手性结构单元；11：圆弧面；12：直板面；2：连接面板。

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所示，本发明实施例提供了一种三维四手性压扭超材料结构，包括：手性结构单元1和连接面板2；手性结构单元1为压扭超材料结构，相邻两个手性结构单元1之间直接相连或者通过连接面板2相连。在一个优选的实施例中，手性结构单元1具有五个，其中一个手性结构单元1置于中间，其余四个手性结构单元1均直接连接在手性结构单元1的外侧，且相邻的两个外侧的手性结构单元1之间通过连接面板2相连。本发明压扭效果要优于传统的三维压扭超材料，发明中结构的比吸能效果更好、普适性更高且同时保证结构的稳定性。本发明通过改变四手性的扭转方向可以调节结构的扭转，调整手性结构单元的几何参数可以改变结构的扭转角度。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。本发明采用的四手性的连接方式，同时中心手性结构单元1的方向与相连的四个手性结构单元1方向相反，可提高该结构的稳定性。

在本发明实施例的一个方面，手性结构单元1的高度和厚度与连接面板2的高度和厚度均一致。在一个具体的实施例中，手性结构单元1和连接面板2的高度均为15mm。手性结构单元1和连接面板2的厚度均为2mm。三维四手性压扭超材料结构为正方形，其边长为86.27mm。需要说明的是，这里的尺寸只是本发明一个优选的实施例，本发明的三维四手性超材料的最大扭转角度可以通过对梁的粗细、胞元数目和层数的调节，以使受压时能产生大幅度、稳定的扭转行为。

如图2所示，本发明手性结构单元1包括四个圆弧面11和四个直板面12，四个直板面12的一端呈十字交叉状连接于中心一点，四个圆弧面11均沿同侧连接在四个直板面12的另一端。其中，圆弧面11的弧线为正弦函数，优选的，直板面12的长度为20mm。

本发明还提供了一种三维四手性压扭超材料结构的制造方法，包括：

步骤S1，在上视基准面上画出圆弧线，间隔设定的距离a作另一相同圆弧线，将两条圆弧线用直线以首尾相连的方式连接，得到手性结构单元的曲线部分；

步骤S2，建一边长分别为a和b的矩形，将该矩形的短边一侧与曲线部分的直线相重合，得到手性结构的其中一杆，以矩形短边的中点为旋转中心圆周阵列四个，裁剪多余的线段，得到单个手性结构单元的二维草图；

步骤S3，通过将单个手性结构单元的二维草图拉伸H建立手性结构单元结构的三维模型，将该模型镜像阵列于四周，通过两个杆的侧面相连接得到四个与中心结构镜像相反的相同结构，完成整体四手性结构的建模；

步骤S4，分别连接两个相邻的阵列于四周的手性结构单元的侧面，并向下拉伸该草图至H形成四个连接杆连接四手性结构，最终得到了本发明中的三维四手性压扭超材料结构。

通过本方法制作三维四手性压扭超材料结构设计操作方便，形成的结构稳定。结构的中心结构与四周的单胞结构扭转方向相反，扭转角度可调。结构的扭转角度可通过调节连接梁的粗细、胞元数目改变。其中，圆弧线为正弦函数曲线。

使用本发明方法制作的三维四手性压扭超材料结构压扭效果要优于传统的三维压扭超材料，发明中结构的比吸能效果更好、普适性更高且同时保证结构的稳定性。本发明通过改变四手性的扭转方向可以调节结构的扭转，调整手性结构单元的几何参数可以改变结构的扭转角度。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。本发明采用的四手性的连接方式，同时中心手性结构单元1的方向与相连的四个手性结构单元1方向相反，可提高该结构的稳定性。

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)

1.一种三维四手性压扭超材料结构，其特征在于，包括：

手性结构单元(1)和连接面板(2)；

所述手性结构单元(1)为压扭超材料结构，相邻两个所述手性结构单元(1)之间直接相连或者通过所述连接面板(2)相连。

2.根据权利要求1所述的三维四手性压扭超材料结构，其特征在于，所述手性结构单元(1)具有五个，其中一个所述手性结构单元(1)置于中间，其余四个所述手性结构单元(1)均直接连接在所述手性结构单元(1)的外侧，且相邻的两个外侧的所述手性结构单元(1)之间通过所述连接面板(2)相连。

3.根据权利要求2所述的三维四手性压扭超材料结构，其特征在于，所述手性结构单元(1)的高度和厚度与所述连接面板(2)的高度和厚度均一致。

4.根据权利要求3所述的三维四手性压扭超材料结构，其特征在于，所述手性结构单元(1)和所述连接面板(2)的高度均为15mm。

5.根据权利要求3所述的三维四手性压扭超材料结构，其特征在于，所述手性结构单元(1)和所述连接面板(2)的厚度均为2mm。

6.根据权利要求2所述的三维四手性压扭超材料结构，其特征在于，所述三维四手性压扭超材料结构为正方形，其边长为86.27mm。

7.根据权利要求1所述的三维四手性压扭超材料结构，其特征在于，所述手性结构单元(1)包括四个圆弧面(11)和四个直板面(12)，四个所述直板面(12)的一端呈十字交叉状连接于中心一点，四个所述圆弧面(11)均沿同侧连接在四个所述直板面(12)的另一端。

8.根据权利要求7所述的三维四手性压扭超材料结构，其特征在于，所述直板面(12)的长度为20mm。

9.一种三维四手性压扭超材料结构的制造方法，其特征在于，包括：

步骤S1，在上视基准面上画出圆弧线，间隔设定的距离a作另一相同圆弧线，将两条圆弧线用直线以首尾相连的方式连接，得到手性结构单元的曲线部分；

步骤S2，建一边长分别为a和b的矩形，将该矩形的短边一侧与曲线部分的直线相重合，得到手性结构的其中一杆，以矩形短边的中点为旋转中心圆周阵列四个，裁剪多余的线段，得到单个手性结构单元的二维草图；

步骤S3，通过将单个手性结构单元的二维草图拉伸H建立手性结构单元结构的三维模型，将该模型镜像阵列于四周，通过两个杆的侧面相连接得到四个与中心结构镜像相反的相同结构，完成整体四手性结构的建模；

步骤S4，分别连接两个相邻的阵列于四周的手性结构单元的侧面，并向下拉伸该草图至H形成四个连接杆连接四手性结构，最终得到了本发明中的三维四手性压扭超材料结构。

10.根据权利要求9所述的三维四手性压扭超材料结构的制造方法，其特征在于，所述圆弧线为正弦函数曲线。