CN210830273U

CN210830273U - 三维内凹负泊松比结构和夹层结构

Info

Publication number: CN210830273U
Application number: CN201921379108.0U
Authority: CN
Inventors: 车颜贤; 陈雷; 刘鹏
Original assignee: Hunan Shengwei New Material Co ltd
Current assignee: Hunan Shengwei New Material Co ltd
Priority date: 2019-08-23
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2029-08-23

Abstract

本实用新型公开一种三维内凹负泊松比结构和夹层结构，三维内凹负泊松比结构由多个元胞在三维方向上排列连接构成，元胞包括：三个内凹六边形框架、八根第三连杆，内凹六边形框架包括：两根第一连杆、四根第二连杆，两根第二连杆相连构成“>”形且连接在两第一连杆的一端，另两根第二连杆相连构成“<”形且连接在两第一连杆的另一端；位于两侧的两内凹六边形框架彼此正对，位于中间的内凹六边形框架的第一连杆与位于两侧的内凹六边形框架的第一连杆垂直；位于两侧的内凹六边形框架的第一连杆的端点，通过第三连杆连接位于中间的内凹六边形框架的相交的两第二连杆的交点。本三维内凹负泊松比结构能够在三个方向上呈现出负泊松比效应。

Description

三维内凹负泊松比结构和夹层结构

技术领域

本实用新型属于负泊松比晶体材料技术领域，具体涉及一种三维内凹负泊松比结构和夹层结构。

背景技术

随着科技的发展，生活用品、汽车、航天、航海等高科技领域对各种结构的轻量化和高性能要求越来越高，目前国内外常见的缓冲减震结构都局限于作用在一个方向，例如弹簧减震器，其仅能在轴向方向上进行减震。

绝大多数的材料具有正的泊松比，当材料在某一方向上受到压缩(或拉伸)时，在与之垂直的方向上，就会发生膨胀(或收缩)。而负泊松比材料(NPR材料，NegativePoisson’s Ratio)的泊松比为负值，即当材料被沿某一方向压缩时，与其垂直的方向上材料是收缩的，负泊松比结构的特点在于，当其在一个方向上被压缩时，更多的材料聚集在载荷下，使得结构的部分区域变得更刚更强来抵抗载荷，因此负泊松比材料具有优良的抗压性、冲击吸收力和回弹力，具有良好的减震效果。

在现有技术中，已有多种负泊松比材料被发现，但是现有的负泊松比材料多是仅能实现竖直和水平两个方向上的减震。

申请号为201810067974.X的专利文献公开了一种基于内六边形单元的负泊松比结构部件，包括多个单胞结构，每个单胞结构由两个内凹六边形组成，内凹六边形呈左右对称的燕尾形状，两个内凹六边形呈正交排布且相交于两凹角顶点，从而形成一个完整的单胞结构；多个单胞结构在水平两方向上通过共享一根支撑胞臂的方式相互连接，在水平方向延伸形成一个连续的单元层；多个单元层在垂直方向通过共享弯曲肋的方式相互连接，构成多层交叉排列的内凹蜂窝状三维负泊松比结构。该负泊松比结构仅能实现两个方向上的减震。

发明内容

本实用新型的主要目的是提供一种三维内凹负泊松比结构和夹层结构，旨在解决现有的负泊松比材料减震性能不够的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出一种三维内凹负泊松比结构，由多个元胞在三维方向上排列连接构成，所述元胞包括：三个相同的且相互平行的内凹六边形框架、八根第三连杆，所述内凹六边形框架包括：两根长度相同的第一连杆、四根长度相同的第二连杆，两根第一连杆相互平行，两根第二连杆相连构成“>”形且连接在两第一连杆的一端，另两根第二连杆相连构成“<”形且连接在两第一连杆的另一端；位于两侧的两内凹六边形框架彼此正对，位于中间的内凹六边形框架的第一连杆与位于两侧的内凹六边形框架的第一连杆垂直；位于两侧的内凹六边形框架的第一连杆的端点，通过所述第三连杆连接位于中间的内凹六边形框架的相交的两第二连杆的交点。

优选地，位于外侧的两内凹六边形框架分别到位于中间的内凹六边形框架的距离相等。

优选地，位于外侧的两内凹六边形框架分别到位于中间的内凹六边形框架的距离不相等。

优选地，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆为直线状或曲线状或弹簧状。

优选地，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆的横截面为矩形或圆形。

优选地，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆采用多种材料通过3D打印而成。

本实用新型还提出一种夹层结构，包括第一平面结构、第二平面结构和位于所述第一平面结构和第二平面结构之间的夹芯，所述夹芯采用上述任一项所述三维内凹负泊松比结构。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果：

本实用新型的三维内凹负泊松比结构相对于常见的单向减震结构具有X-Y-Z三个正交方向的缓冲减震、抵抗冲击、能量吸收性能，同时点阵结构兼顾了优良的轻量化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一提出的三维内凹负泊松比结构中单个元胞的结构图；

图2为图1的分解图；

图3为图1提出的三维内凹负泊松比结构中单层的二维内凹负泊松比结构的结构图；

图4为图1提出的三维内凹负泊松比结构的结构图；

图5为图1提出的三维内凹负泊松比结构在三个方向上的吸能效果图；

图6a为图1提出的三维内凹负泊松比结构在受压前的结构图；

图6b为图1提出的三维内凹负泊松比机构在受压后的结构图；

图7为本实用新型实施例二提出的夹层结构的结构示意图。

本实用新型的附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				1	第一连杆	4	第一平面结构
2	第二连杆	5	第二平面结构
				3	第三连杆	6	夹芯

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是点连接；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

实施例一

本实施例一提出一种三维内凹负泊松比结构。

请参照图1至图6b，三维内凹负泊松比结构，由多个元胞在三维方向上排列连接构成，每个元胞包括三个内凹六边形框架和八根第三连杆。为了便于描述，上下、前后的各方向均基于图1中的方向。

三个内凹六边形框架按上下方向依次排列，且每个内凹六边形框架所在的平面相互平行。每个内凹六边形框架的结构相同，均包括两根第一连杆1和四根第二连杆2，两根第一连杆1相互平行，两根第二连杆2连接构成“>”形且连接在两第一连杆1的一端，还有两根第二连杆2连接构成“<”形且连接在两第一连杆1的另一端，构成“>”形的两第二连杆2的拐角和构成“<”形的两第二连杆2的拐角都关于整个六边形框架向内凹。

位于上侧和下侧的两内凹六边形框架是彼此正对的，位于中间的内凹六边形框架的第一连杆与位于上下两侧的内凹六边形框架的第一连杆1是垂直的，即相对于上部内凹六边形框架绕六边形中心旋转了90度，并且，三个内凹六边形框架的四个外拐角一一对应。然后，中间的内凹六边形框架的前方的内拐角，连接有四根第三连杆3，这四根第三连杆3分别连接位于元胞前面的左上、左下、右上、右下四个端点，同样地，中间内凹六边形框架的后方的内拐角，通过四根第三连杆3分别连接位于元胞后面的左上、左下、右上、右下四个端点，由此构成三维内凹负泊松比结构，本结构对于上下、左右、前后三个方向都具有缓冲减震的性能。

具体地，如图1所示，三个内凹六边形框架abcdef、a’b’c’d’e’f’、a”b”c”d”e”f”为三个相同的二维内凹负泊松比结构，将底层平面的二维内凹负泊松比结构的顶点分别用a、b、c、 d、e、f表示，将中间层的二维内凹负泊松比结构的顶点分别用a’、b’、c’、d’、e’、f’表示，将顶层的二维内凹负泊松比结构的顶点分别用a”、b”、c”、d”、e”、f”表示，六边形abcdef、a’b’c’d’e’f、a”b”c”d”e”f”所在的平面相互平行，且aa’a”三点在一条直线上，cc’c”、 dd’d”、ff’f”也分别在一条直线上，在元胞前侧，c’c、c’c”、c’d”、c’d分别对应四根第三连杆3，在元胞后侧，f’a”、f’a”、f’f”、f’f也分别对应四根第三连杆3。

由此，当元胞受到前后方向或左右方向的压力时，由于元胞的每层为二维内凹六边形，为二维负泊松比结构，能够在受压时表现出在受力方向膨胀的特性。而通过第三连杆3将各层二维负泊松比结构连接成三维结构之后，当元胞受到上下方向的正压力时，元胞在水平方向上会发生收缩，中间层的内凹六边形框架的两个内拐角点c’、f’会相互靠近，会带动上层内凹六边形框架的四个外拐角点a”c”d”f”相互靠近，也带动下层内凹六边形框架的四个外拐角点acdf相互靠近，从而使得元胞在高度方向上的长度反而伸长，即元胞在受压时的厚度增加，由此使得本三维内凹负泊松比结构能够在三个方向上发生收缩变形，在三个方向上呈现负泊松比效应，具有良好的吸震效果。

如图2所示，在每层的二维内凹负泊松比结构中，af、df的长度L相等，这保证了元胞结构的可重复性，在此二维内凹负泊松比结构中，ab＝bc＝ef＝ed＝L/(cos(θ/2))。

将内凹负泊松比结构元胞进行阵列镜像等操作可以得到三维点阵结构，如图4所示为 2*2*2的点阵结构。因此，在单个内凹负泊松比结构元胞的基础上，沿正交方向进行延伸，可以得到不同长、宽、高成比例的不同数量的点阵结构。

具体在本实施方式中，位于上层的内凹六边形框架到中间内凹六边形框架之间的距离为H1，中间内凹六边形框架到位于下层的内凹六边形框架之间的距离为H2，H1＝H2。而不限定地，在其他一些实施方式中，H1和H2也可以不相等。单个元胞的结构尺寸可以采用如下表所示的尺寸：

	L(mm)	θ	H1(mm)	H2(mm)
					实例1	8	120	4	4
实例2	8	120	3	5
					实例3	10	150	4	5
实例4	10	160	5	5
					实例5	100	140	50	50
实例6	100	135	50	50

本三维内凹负泊松比结构相比传统的负泊松比结构材料具有更低的刚度和更高的屈服强度，可以用来制作防护装置等，会产生更好的抵抗冲击的效果。

图5给出了将本实施例图1提出的三维内凹负泊松比结构在三个方向上的吸能效果图，在ABAQUS软件中建立有限元模型，给定试件的尺寸为：H1＝H2＝L＝400mm，θ＝106°，且以半径为15mm的圆为各连杆的横截面，对此单元施以三个正交方向皆为10mm/s的速度压缩，对比三个方向的能量吸收状况，图1中的向右为X方向、向前为Y方向、向上为Z方向，由仿真结果可知本三维内凹负泊松比结构在三个方向上都具有良好的吸能效果，且三个方向吸能效果大小为：X>Y>Z。

进一步地，所述第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3为直线状或曲线状或弹簧状。

进一步地，所述第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3的横截面为矩形或圆形。并且，沿每根连杆的延伸方向，每根连杆的横截面的围度尺寸可以是不变的或者变化的。

进一步地，所述第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3采用多种材料通过3D打印而成。通过3D打印技术，每个元胞的第一连杆1、第二连杆2和第三连杆3均连接为一体，各个元胞之间也形成为一体结构。但不限定地，当将本三维内凹负泊松比结构应用于机械结构件等用途时，第一连杆1、第二连杆2和第三连杆3之间的连接处也可以采用铰接方式进行连接，只要整体结构在受力时，各连杆之间能相互变动即可，在此不做限定。

实施例二

请参照图7，本实施例二提出一种夹层结构，包括：第一平面结构4、第二平面结构5和位于所述第一平面结构4和第二平面结构5之间的夹芯6，所述夹芯6采用实施例一中任一项所述的三维内凹负泊松比结构。

第一平面结构4和第二平面结构5为具有一定横向长度和纵向长度的薄板结构，可采用聚氨酯弹性体、硅胶、丙烯酸酯等材料，夹芯6的具体结构参照实施例一，由于夹层结构采用了实施例一的全部技术方案，因此同样具有实施例一的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims

1.一种三维内凹负泊松比结构，其特征在于，由多个元胞在三维方向上排列连接构成，

所述元胞包括：三个相同的且相互平行的内凹六边形框架、八根第三连杆，

所述内凹六边形框架包括：两根长度相同的第一连杆、四根长度相同的第二连杆，两根第一连杆相互平行，两根第二连杆相连构成“>”形且连接在两第一连杆的一端，另两根第二连杆相连构成“<”形且连接在两第一连杆的另一端；

位于两侧的两内凹六边形框架彼此正对，位于中间的内凹六边形框架的第一连杆与位于两侧的内凹六边形框架的第一连杆垂直；

位于两侧的内凹六边形框架的第一连杆的端点，通过所述第三连杆连接位于中间的内凹六边形框架的相交的两第二连杆的交点。

2.如权利要求1所述的三维内凹负泊松比结构，其特征在于，位于外侧的两内凹六边形框架分别到位于中间的内凹六边形框架的距离相等。

3.如权利要求1所述的三维内凹负泊松比结构，其特征在于，位于外侧的两内凹六边形框架分别到位于中间的内凹六边形框架的距离不相等。

4.如权利要求1所述的三维内凹负泊松比结构，其特征在于，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆为直线状或曲线状或弹簧状。

5.如权利要求1所述的三维内凹负泊松比结构，其特征在于，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆的横截面为矩形或圆形。

6.如权利要求1所述的三维内凹负泊松比结构，其特征在于，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆采用多种材料通过3D打印而成。

7.一种夹层结构，其特征在于，包括第一平面结构、第二平面结构和位于所述第一平面结构和第二平面结构之间的夹芯，所述夹芯采用权利要求1至6任一项所述三维内凹负泊松比结构。