CN217873932U - 一种具有双向负泊松比效应的x型蜂窝结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，包括多个在同一平面内周期性排列的X形单胞，所述X形单胞由多条胞壁围成且内部为“X”形空心区域的封闭结构；X形单胞包括四个水平胞壁、四个长倾斜胞壁和四个短倾斜胞壁，每两个长倾斜胞壁相互连接形成内凹箭头结构且对称分布于X形单胞的左右两侧，每两个短倾斜胞壁相互连接形成内凹折弯结构且对称分布于X形单胞的上下两侧，所述水平胞壁的两端分别与同一侧的长倾斜胞壁和短倾斜胞壁的顶端或底端连接。本实用新型在竖直方向和水平方向加载时均有很明显的负泊松比效应，相较于传统内凹六边形蜂窝结构，增加了结构的变形稳定性、平台应力以及能量吸收性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及力学超材料设计技术领域，具体的讲是一种具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构。
背景技术
蜂窝结构作为典型的仿生结构，由于其较高的面外刚度、较轻的质量以及优异的力学性能可设计性，常制成夹芯结构作为承重或者次承重结构应用于航空航天和交通运输等领域。按照泊松比特性不同，蜂窝结构可以分为正泊松比蜂窝结构、零泊松比蜂窝结构和负泊松比蜂窝结构。
对于常规材料，在受到轴向拉伸(压缩)时表现为横向收缩(膨胀)，而负泊松比材料则表现相反，在受到轴向拉伸(压缩)时表现为横向膨胀(收缩)。这种反常的力学性质使得负泊松比蜂窝结构具有独特的机械性能，包括增强的抗剪切力、抗压痕、抗冲击、耐撞性能、吸能能力等，在汽车、航空航天、包装等领域有着广泛的应用前景。
负泊松比蜂窝结构的整体力学性能高度依赖于其单胞结构；在载荷作用下，不同的单胞结构对力学行为产生了显著影响。常见的传统负泊松比单胞结构主要包括：双箭头结构、内凹六边形结构、星型结构、手性/反手性结构等。
随着增材制造技术的发展，具有复杂结构的负泊松比蜂窝结构的制备问题得到了有效的解决。目前研究者已经提出多种新型单胞结构，但是一些单胞结构构成的蜂窝仅在一个方向上加载时存在负泊松比效应，另一个方向加载时没有负泊松比效应或效应不明显，能量吸收能力较弱等问题，其力学性能满足不了实际工程的应用需求。
因此，设计新的单胞结构，实现两个方向上的负泊松比效应，增强结构稳定性，提高平台应力和能量吸收能力具有重要的意义。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，本实用新型在竖直方向和水平方向加载时均有很明显的负泊松比效应，相较于传统内凹六边形蜂窝结构，增加了结构的变形稳定性、平台应力以及能量吸收性能。
为解决以上技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
一种具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，包括多个在同一平面内周期性排列的X形单胞，所述X形单胞由多条胞壁围成且内部为“X”形空心区域的封闭结构；
X形单胞包括四个水平胞壁、四个长倾斜胞壁和四个短倾斜胞壁，每两个长倾斜胞壁相互连接形成内凹箭头结构且对称分布于X形单胞的左右两侧，每两个短倾斜胞壁相互连接形成内凹折弯结构且对称分布于X形单胞的上下两侧，所述水平胞壁的两端分别与同一侧的长倾斜胞壁和短倾斜胞壁的顶端或底端连接；
连接于同一条水平胞壁的长倾斜胞壁和短倾斜胞壁相互平行。
进一步的，左右相邻的X形单胞之间没有间隙，上下两个相邻的X形单胞之间形成菱形间隙，上下相邻的两个X形单胞共用两个水平胞壁，左右相邻的两个X形单胞共用一个长倾斜胞壁。
进一步的，水平胞壁的长度小于长倾斜胞壁的长度。
进一步的，左右对称的两个内凹箭头结构的顶角不接触，上下对称的两个内凹折弯结构的顶角不接触。
进一步的，所述水平胞壁和长倾斜胞壁的壁厚均为短倾斜胞壁的壁厚的一半。
进一步的，所述水平胞壁、长倾斜胞壁和短倾斜胞壁的截面均为矩形。
进一步的，所述X形单胞由不锈钢、尼龙或铝合金制成。
进一步的，所述X型蜂窝结构由3D打印技术制备而成。
本实用新型采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：
本实用新型的X型蜂窝结构在受到平面内竖直方向压缩时，会出现明显的横向收缩变形，呈现出负泊松比的特性，且随着压缩的进行，X形单胞的长倾斜胞壁旋转向内聚集，上下相邻的两个X形单胞的内凹折弯结构组合形成菱形结构，使得本实用新型在竖直方向压缩时会出现明显的两个平台应力阶段，变形呈现出明显的稳定性；本实用新型X型蜂窝结构在受到平面内水平方向上压缩时，也会出现纵向收缩变形，但不同于竖直方向的压缩是没有明显的两个平台应力阶段，而是表现为应力增强阶段；
本实用新型的X型蜂窝结构在受到竖直方向和水平方向的压缩时，均有明显的负泊松比效应，相比于现有的负泊松比结构提高了结构的抗冲击和能量吸收性能，可应用于航空航天、防护设备、汽车、国防工程等领域中。
下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。
附图说明
图1为本实用新型的X型蜂窝结构的平面示意图；
图2为本实用新型的X形单胞结构的平面示意图；
图3为本实用新型实施例中X形单胞结构的平面示意图；
图4为本实用新型X形单胞的参数示意图；
图5为本实用新型竖直方向有限元加载示意图；
图6为本实用新型水平方向有限元加载示意图；
图7为本实用新型X型负泊松比蜂窝结构受竖直方向压缩时数值模拟的变形过程图(顺序由a→f顺次进行)；
图8为本实用新型X型负泊松比蜂窝结构受水平方向压缩时数值模拟的变形过程图(顺序由a→f顺次进行)；
图9为X型负泊松比蜂窝结构和相同参数下的传统内凹六边形蜂窝结构在竖直方向压缩载荷下的名义应力-应变曲线图；
图10为X型负泊松比蜂窝结构和相同参数下的传统内凹六边形蜂窝结构在水平方向压缩载荷下的名义应力-应变曲线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、X形单胞；11、水平胞壁；111、第一水平胞壁；112、第二水平胞壁；113、第三水平胞壁；114、第四水平胞壁；12、长倾斜胞壁；121、第一长倾斜胞壁；122、第二长倾斜胞壁；123、第三长倾斜胞壁；124、第四长倾斜胞壁；13、短倾斜胞壁；131、第一短倾斜胞壁；132、第二短倾斜胞壁；133、第三短倾斜胞壁；134、第四短倾斜胞壁。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
如图1和图2所示，一种具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，包括多个在同一平面内周期性排列的X形单胞1，所述X形单胞1由多条胞壁围成且内部为“X”形空心区域的封闭结构；
X形单胞1包括四个水平胞壁11、四个长倾斜胞壁12和四个短倾斜胞壁13，每两个长倾斜胞壁12相互连接形成内凹箭头结构且对称分布于X形单胞1的左右两侧，每两个短倾斜胞壁13相互连接形成内凹折弯结构且对称分布于X形单胞1的上下两侧，所述水平胞壁11的两端分别与同一侧的长倾斜胞壁12和短倾斜胞壁13的顶端或底端连接，连接于同一条水平胞壁11的长倾斜胞壁12和短倾斜胞壁13相互平行，从而形成上下左右对称、上下开槽且左右两侧内凹的闭合结构。
如图1所示，作为一种实施方式，左右相邻的X形单胞1之间没有间隙，上下两个相邻的X形单胞1之间形成菱形间隙，上下相邻的两个X形单胞1共用两个水平胞壁11，左右相邻的两个X形单胞1共用一个长倾斜胞壁12。
单胞与单胞之间通过复制移动的方式进行组合，以保证每个单胞具有相同的结构与尺寸。蜂窝结构的整体大小可以由单胞的长度与高度以及周期排列的数量进行调整，以适应不同的工程应用需求。
作为一种实施方式，水平胞壁11的长度L3小于长倾斜胞壁12的长度L1。
作为一种实施方式，左右对称的两个内凹箭头结构的顶角不接触，上下对称的两个内凹折弯结构的顶角不接触。
作为一种实施方式，所述水平胞壁11和长倾斜胞壁12的壁厚均为短倾斜胞壁13的壁厚t的一半。
作为一种实施方式，所述水平胞壁11、长倾斜胞壁12和短倾斜胞壁13的截面均为矩形。
如图4所示，长倾斜胞壁12的长度为L1，L1由高度H0和角度α共同决定，短倾斜胞壁13的长度为L2，L2由长度L0、角度β和水平胞壁的长度L3决定，L1和L2的计算公式为：
在本实施例中，X形单胞的具体尺寸为：L1＝8mm，L2＝5mm，L3＝4mm，α＝60°，β＝60°，t＝1mm。
作为一种实施方式，所述X形单胞1由不锈钢、尼龙或铝合金制成。
在本实施例中，如图3所示，水平胞壁11包括第一水平胞壁111、第二水平胞壁112、第三水平胞壁113和第四水平胞壁114，长倾斜胞壁12包括第一长倾斜胞壁121、第二长倾斜胞壁122、第三长倾斜胞壁123和第四长倾斜胞壁124，短倾斜胞壁13包括第一短倾斜胞壁131、第二短倾斜胞壁132、第三短倾斜胞壁133和第四短倾斜胞壁134；
第一长倾斜胞壁121和第三长倾斜胞壁123设置于X形单胞1的左侧，且第一长倾斜胞壁121的底端和第三长倾斜胞壁123的顶端连接，第一长倾斜胞壁121和第三长倾斜胞壁123组合形成“>”状的内凹箭头结构，第二长倾斜胞壁122和第四长倾斜胞壁124设置于X形单胞1的右侧，且第二长倾斜胞壁122的底端和第四长倾斜胞壁124的顶端连接，第二长倾斜胞壁122和第四长倾斜胞壁124组合形成“<”状的内凹箭头结构，“>”状的内凹箭头结构和“<”状的内凹箭头结构左右相互对称；
第一短倾斜胞壁131和第二短倾斜胞壁132设置于X形单胞1的上侧，且第一短倾斜胞壁131的底端和第二短倾斜胞壁132的底端连接，第一短倾斜胞壁131和第二短倾斜胞壁132组合形成“∨”状的内凹折弯结构，第三短倾斜胞壁133和第四短倾斜胞壁134设置于X形单胞1的下侧，且第三短倾斜胞壁133的顶端和第四短倾斜胞壁134的顶端连接，第三短倾斜胞壁133和第四短倾斜胞壁134组合形成“∧”状的内凹折弯结构，“∨”状的内凹折弯结构和“∧”状的内凹折弯结构上下相互对称；
第一水平胞壁111的左右两端分别与第一长倾斜胞壁121的顶端和第一短倾斜胞壁131的顶端连接，第二水平胞壁112的左右两端分别与第二短倾斜胞壁132的顶端和第二长倾斜胞壁122的顶端连接，第三水平胞壁113的左右两端分别与第三长倾斜胞壁123的底端和第三短倾斜胞壁133的底端连接，第四水平胞壁114的左右两端分别与第四短倾斜胞壁134的底端和第四长倾斜胞壁124的底端连接，第一水平胞壁111和第二水平胞壁112处于同一水平面内，第三水平胞壁113和第四水平胞壁114处于同一水平面内。
为了比较X型蜂窝结构吸能特性，选取传统内凹六边形蜂窝结构作为对比。数值模拟计算均采用ABAQUS/Explicit非线性动态显式分析有限元软件进行。蜂窝试件放置于两块刚性板之间。蜂窝材料为不锈钢，采用理想弹塑性材料模型，沿z轴方向的面外厚度为5mm，刚性板均定义为刚体。计算过程中蜂窝结构选用S4R壳单元，为保证计算精度和收敛性，沿厚度方向定义5个积分点。经过多次试算和灵敏度分析，最终确定网格尺寸为0.8mm。整个模型采用通用接触算法，摩擦系数为0.2。
为了保证X型蜂窝结构有限元模拟时不受尺寸效应的影响，如图5所示，竖直方向加载时竖直和水平方向的单胞数分别为6和11；如图6所示，水平方向加载时竖直和水平方向的单胞数分别为7和9。
如图7所示，在受到竖直载荷时，X型蜂窝结构的变形过程主要分为两个阶段；第一变形阶段：当应变超过弹性阶段时，X型蜂窝结构的长倾斜胞壁发生旋转向内聚集，呈现出明显的“X”形变形带，随着压缩的进行，该变形带逐渐增大并延伸到固定端和冲击端，从而使结构发生横向收缩变形，蜂窝呈现出明显的负泊松比效应。在长倾斜胞壁发生旋转变形的过程中，菱形结构未发生明显变化。第二变形阶段：当所有X形单胞结构左右两侧的内凹箭头结构顶角和上下两侧的内凹折弯结构顶角接触后，随着压缩的进行，形成菱形结构的短倾斜胞壁相互接触挤压，在靠近冲击端和固定端的左右两端以及蜂窝中部发生局部致密化，随后呈现“V”形的致密化带，致密化带逐渐向固定端扩展。
如图8所示，在受到水平载荷时，X型蜂窝结构的变形过程同样分为两个阶段；第一变形阶段与竖直方向压缩时的结构变化现象类似，不同的是没有出现明显的“X”形变形带，而表现为整体结构的收缩变形，蜂窝呈现出明显的负泊松比效应。在一些胞元的长倾斜胞壁还未完全发生旋转变形时，靠近冲击端和固定端的菱形结构发生明显变化，表现为短倾斜胞壁相互接触挤压，呈现“I”形变形带，随着压缩的进行，“I”形变形带向中部扩散直至所有菱形结构屈服，最后结构发生致密化。
如图9和图10所示，给出了本实用新型蜂窝结构和传统内凹六边形蜂窝结构在受到竖直和水平方向压缩载荷作用下的名义应力-应变曲线图，加载速度为0.25m/s。从图9可以看出，本实用新型蜂窝结构在受到竖直方向载荷时，名义应力-应变曲线具有两个平台应力阶段，第一平台阶段：X形结构的长倾斜胞壁发生旋转变形，第二平台阶段：相邻两胞元的内凹折弯结构形成的菱形结构在面内压缩载荷的作用下屈服。如图10所示，本实用新型蜂窝结构在受到水平方向载荷时的名义应力-应变曲线出现了应力增强阶段：在一些胞元的长倾斜胞壁还未完全发生旋转变形时，靠近冲击端和固定端的菱形结构发生明显变化。
与传统内凹六边形蜂窝结构相比，本实用新型在竖直方向压缩过程中出现了两个应力平台阶段，且平台应力较大，在水平方向压缩时出现了应力增强阶段，明显地增强了结构的能量吸收性能，且变形稳定，大大地提高了结构的抗冲击性能。
通过调整胞元的内凹角度α、β、水平胞壁长度L3、壁厚t，能够获得在较大范围内变化的杨氏模量与泊松比，从而调整胞元的面内性能。
以上所述为本实用新型最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本实用新型的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本实用新型的技术启示而进行的等效变换，也在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，其特征在于，包括多个在同一平面内周期性排列的X形单胞(1)，所述X形单胞(1)由多条胞壁围成且内部为“X”形空心区域的封闭结构；
X形单胞(1)包括四个水平胞壁(11)、四个长倾斜胞壁(12)和四个短倾斜胞壁(13)，每两个长倾斜胞壁(12)相互连接形成内凹箭头结构且对称分布于X形单胞(1)的左右两侧，每两个短倾斜胞壁(13)相互连接形成内凹折弯结构且对称分布于X形单胞(1)的上下两侧，所述水平胞壁(11)的两端分别与同一侧的长倾斜胞壁(12)和短倾斜胞壁(13)的顶端或底端连接；
连接于同一条水平胞壁(11)的长倾斜胞壁(12)和短倾斜胞壁(13)相互平行。
2.根据权利要求1所述的具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，其特征在于，左右相邻的X形单胞(1)之间没有间隙，上下两个相邻的X形单胞(1)之间形成菱形间隙，上下相邻的两个X形单胞(1)共用两个水平胞壁(11)，左右相邻的两个X形单胞(1)共用一个长倾斜胞壁(12)。
3.根据权利要求1所述的具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，其特征在于，水平胞壁(11)的长度小于长倾斜胞壁(12)的长度。
4.根据权利要求1所述的具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，其特征在于，左右对称的两个内凹箭头结构的顶角不接触，上下对称的两个内凹折弯结构的顶角不接触。
5.根据权利要求1所述的具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，其特征在于，所述水平胞壁(11)和长倾斜胞壁(12)的壁厚均为短倾斜胞壁(13)的壁厚的一半。
6.根据权利要求1所述的具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，其特征在于，所述水平胞壁(11)、长倾斜胞壁(12)和短倾斜胞壁(13)的截面均为矩形。
7.根据权利要求1所述的具有双向负泊松比效应的X型蜂窝结构，其特征在于，所述X形单胞(1)由不锈钢、尼龙或铝合金制成。
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