CN220102824U - 一种负泊松比结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种负泊松比结构，包括主体胞元层及中间胞元层；主体胞元层包括均呈筒体设置、且具有负泊松比效应的内胞元层及外胞元层，内胞元层间隔设于外胞元层中；中间胞元层具有负泊松比效应、并位于内胞元层与外胞元层之间，且其连接于内胞元层及外胞元层，其中，中间胞元层在受压时沿主体胞元层的径向收缩、并在被拉伸时沿主体胞元层的径向扩张。本方案能够使得圆柱壳同时在径向和厚度上表现出负泊松比效应，且中间胞元层还可增加结构的稳定性，提高结构的刚度，并增强内胞元层与外胞元层之间的连接强度，使得内胞元层与外胞元层有机结合，不会被轻易分离。

Description

一种负泊松比结构

技术领域

本实用新型涉及负泊松比技术领域，尤其涉及一种负泊松比结构。

背景技术

负泊松比多胞结构是一种具有负泊松比性质的轻质高性能结构，在航空、航天和船舶等领域拥有广泛的应用前景。相较传统材料，负泊松比多胞结构拥有优异的物理性能和独特的力学性能，对材料的制造使用和性能提升有重要的意义。对负泊松比多胞结构进行结构设计和性能优化可以为实际工程提供更可靠的设计依据。与平面形式的力学超材料相比，曲面构型的圆柱壳结构在航空、航天和船舶等领域的主要承载芯体结构中发挥着不可替代的作用。

目前出现的圆柱壳结构仅在径向表现出可调控泊松比效应，例如，专利CN111288102A公开一种具有负泊松比特性的柔性机构，该机构在受到圆柱轴线方向的压力时，会同时产生轴向收缩或径向收缩；并在受到圆柱轴线方向拉力时，会同时产生轴线伸展和径向伸展。然而，现有的负泊松比结构缺少对圆柱壳厚度方向的调控，使得其在实际工程会受到较大的限制。

实用新型内容

有鉴于此，有必要提供一种负泊松比结构，用以解决现有技术中的负泊松比结构缺少对圆柱壳厚度方向的调控，使得其在实际工程会受到较大的限制的技术问题。

本实用新型提供一种负泊松比结构，该负泊松比结构包括：

主体胞元层，包括均呈筒体设置、且具有负泊松比效应的内胞元层及外胞元层，所述内胞元层间隔设于所述外胞元层中；以及，

中间胞元层，具有负泊松比效应、并位于所述内胞元层与所述外胞元层之间，且其连接于所述内胞元层及所述外胞元层，其中，所述中间胞元层在受压时沿所述主体胞元层的径向收缩、并在被拉伸时沿所述主体胞元层的径向扩张。

可选地，所述中间胞元层包括中间胞单元，所述中间胞单元呈内凹六边形设置，以在其相对的两侧形成有第一内凹部，两个所述第一内凹部沿所述主体胞元层的径向间隔设置、并分别连接有连接段，其中，位于内侧的所述连接段与所述内胞元层连接，且位于外侧的所述连接段与所述外胞元层连接。

可选地，所述中间胞单元设有多组，多组所述中间胞单元绕所述主体胞元层的轴向呈圆周间隔排布，且各组的所述中间胞单元设有多个，各组的多个所述中间胞单元沿所述主体胞元层的轴向依次连接。

可选地，所述内胞元层包括多组内胞单元，多组所述内胞单元绕所述主体胞元层的轴向呈圆周排布，各组的所述内胞单元设有多个，且各组的多个所述内胞单元沿所述主体胞元层的轴向依次连接，相邻两组的所述内胞单元相互连接；和/或，

所述外胞元层包括多组外胞单元，多组所述外胞单元绕所述主体胞元层的轴向呈圆周排布，各组的所述外胞单元设有多个，且各组的多个所述外胞单元沿所述主体胞元层的轴向依次连接，相邻两组的所述外胞单元相互连接；

其中，所述内胞单元及所述外胞单元分别具有负泊松比效应。

可选地，各所述内胞单元及所述外胞单元分别包括主体段，所述主体段呈内凹六边形设置，以在其相对的两侧形成有第二内凹部，两个所述第二内凹部位于所述主体胞元层的轴向的相对两侧、并连接有附属段，所述附属段与邻组对应的所述附属段连接。

可选地，所述主体段包括六个首尾依次连接的杆件，所述内胞单元对应的所述杆件的厚度为a，所述外胞单元对应的所述杆件的厚度为b，满足a＞b。

可选地，六个所述杆件包括两组呈相对的设置的侧杆、及位于各组所述侧杆相对两端的横杆，两组所述侧杆呈相对的位于所述主体胞元层的轴向的相对两侧，各组的所述侧杆设有两个，且各组的两个所述侧杆的一端连接于对应的所述横杆，另一端朝向相对组的所述侧杆倾斜设置、并连接于同组的所述侧杆，以形成所述第二内凹部；

其中，所述中间胞元层连接于所述横杆。

可选地，多组所述内胞单元呈等间距设置，对应的，多组所述外胞单元等间距设置。

可选地，所述外胞元层相对的两端分别连接有圆环，其中，所述内胞元层及所述中间胞元层相对的两端分别连接于对应的所述圆环。

可选地，所述内胞元层、所述外胞元层及所述中间胞元层的材质为铝合金。

与现有技术相比，本实用新型提供的负泊松比结构中，内胞元层与外胞元层间隔设置，且中间胞元层分别与内胞元层及外胞元层连接，如此，在负泊松比结构受到轴向压力时，内胞元层与外胞元层在负泊松比效应的影响下均具有向内收缩的趋势，也即使得内胞元层及外胞元层的半径变小；同时，中间胞元层在压力驱使下沿主体胞元层的径向收缩，以能够促使外胞元层进一步向内收缩，并阻碍内胞元层向内收缩，从而能够使得外胞元层与内胞元层之间的间隙减小，也即使得负泊松比结构的厚度变小。

且在负泊松比结构受到轴向拉力时，内胞元层与外胞元层在负泊松比效应的影响下向外扩张，也即使得内胞元层及外胞元层的半径变大；同时，中间胞元层也在拉力影响下沿主体胞元层的径向扩张，以能够促使外胞元层进一步向外扩张，并阻碍内胞元层向外扩张，从而能够使得外胞元层与内胞元层之间的间隙变大，也即使得负泊松比结构的厚度变大。

如此，本方案中的负泊松比结构能够使得圆柱壳同时在径向和厚度上表现出负泊松比效应，且中间胞元层还可增加结构的稳定性，提高结构的刚度，并增强内胞元层与外胞元层之间的连接强度，使得内胞元层与外胞元层有机结合，不会被轻易分离。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如下。本实用新型的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型提供的负泊松比结构的一实施例的结构示意图；

图2为图1中A处的放大示意图；

图3为图1中主体胞元层与中间胞元层的局部结构示意图；

图4为图3中主体胞元层与中间胞元层另一角度的结构示意图；

图5为图3中的中间胞单元的结构示意图；

图6为图2中内胞单元(外胞单元)的结构示意图。

附图标记说明：

100-负泊松比结构、1-主体胞元层、11-内胞元层、111-内胞单元、12-外胞元层、121-外胞单元、13-主体段、131-第二内凹部、132-杆件、133-侧杆、134-横杆、14-附属段、2-中间胞元层、21-中间胞单元、211-第一内凹部、22-连接段、3-圆环。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

请参见图1至图4，本负泊松比结构100包括主体胞元层1及中间胞元层2；主体胞元层1包括均呈筒体设置、且具有负泊松比效应的内胞元层11及外胞元层12，内胞元层11间隔设于外胞元层12中；中间胞元层2具有负泊松比效应、并位于内胞元层11与外胞元层12之间，且其连接于内胞元层11及外胞元层12，其中，中间胞元层2在受压时沿主体胞元层1的径向收缩、并在被拉伸时沿主体胞元层1的径向扩张。

本实用新型提供的负泊松比结构100中，内胞元层11与外胞元层12间隔设置，且中间胞元层2分别与内胞元层11及外胞元层12连接，如此，在负泊松比结构100受到轴向压力时，内胞元层11与外胞元层12在负泊松比效应的影响下均具有向内收缩的趋势，也即使得内胞元层11及外胞元层12的半径变小；同时，中间胞元层2在压力驱使下沿主体胞元层1的径向收缩，以能够促使外胞元层12进一步向内收缩，并阻碍内胞元层11向内收缩，从而能够使得外胞元层12与内胞元层11之间的间隙减小，也即使得负泊松比结构100的厚度变小。

且在负泊松比结构100受到轴向拉力时，内胞元层11与外胞元层12在负泊松比效应的影响下向外扩张，也即使得内胞元层11及外胞元层12的半径变大；同时，中间胞元层2也在拉力影响下沿主体胞元层1的径向扩张，以能够促使外胞元层12进一步向外扩张，并阻碍内胞元层11向外扩张，从而能够使得外胞元层12与内胞元层11之间的间隙变大，也即使得负泊松比结构100的厚度变大。

如此，本方案中的负泊松比结构100能够使得圆柱壳同时在径向和厚度上表现出负泊松比效应，且中间胞元层2还可增加结构的稳定性，提高结构的刚度，并增强内胞元层11与外胞元层12之间的连接强度，使得内胞元层11与外胞元层12有机结合，不会被轻易分离。

需要说明的是，在本实施例中，内胞元层11内置于外胞元层12中，并与外胞元层12沿其径向间隔设置。且中间胞元层2的负泊松比效应体现在主体胞元层1的径向上。此外，内胞元层11、外胞元层12及中间胞元层2的材质都相同，且不限于为铝合金。另，在附图示例中，主体胞元层1的轴向以F示出。

进一步地，请参阅图5，中间胞元层2包括中间胞单元21，中间胞单元21呈内凹六边形设置，以在其相对的两侧形成有第一内凹部211，两个第一内凹部211沿主体胞元层1的径向间隔设置、并分别连接有连接段22，其中，位于内侧的连接段22与内胞元层11连接，且位于外侧的连接段22与外胞元层12连接。也即在本实施例中，中间胞单元21呈内凹六边形设置，并通过连接段22连接内胞元层11及外胞元层12，以能够提高内胞元层11与外胞元层12之间的连接强度。

需要说明的是，中间胞单元21的数量增加能够减小负泊松比结构100的边界效应。在本实施例中，中间胞单元21设有多组，多组中间胞单元21绕主体胞元层1的轴向呈圆周间隔排布，且各组的中间胞单元21设有多个，各组的多个中间胞单元21沿主体胞元层1的轴向依次连接。本方案中，通过设置多组中间胞单元21以能够进一步减小负泊松比结构100的边界效应，同时能够使得负泊松比结构100在厚度上的调控范围增大。

进一步地，内胞元层11包括多组内胞单元111，多组内胞单元111绕主体胞元层1的轴向呈圆周排布，各组的内胞单元111设有多个，且各组的多个内胞单元111沿主体胞元层1的轴向依次连接，相邻两组的内胞单元111相互连接；和/或，外胞元层12包括多组外胞单元121，多组外胞单元121绕主体胞元层1的轴向呈圆周排布，各组的外胞单元121设有多个，且各组的多个外胞单元121沿主体胞元层1的轴向依次连接，相邻两组的外胞单元121相互连接；其中，内胞单元111及外胞单元121分别具有负泊松比效应。在本实施例中，内胞单元111及外胞单元121能够呈阵列设置，以能够使得负泊松比结构100变形更加均匀，且还可以减弱负泊松比结构100的边界效应。具体地，多组内胞单元111呈等间距设置，对应的，多组外胞单元121等间距设置。且在本实施例中，各组的内胞单元111及外胞单元121分别设有5个。

更进一步地，请参阅图6，各内胞单元111及外胞单元121分别包括主体段13，主体段13呈内凹六边形设置，以在其相对的两侧形成有第二内凹部131，两个第二内凹部131位于主体胞元层1的轴向的相对两侧、并连接有附属段14，附属段14与邻组对应的附属段14连接。如此使得内胞单元111与外胞单元121在拉伸时能够扩张、且在受压时能够收缩，结构简单可靠。

具体地，在本实施例中，主体段13包括六个首尾依次连接的杆件132，内胞单元111对应的杆件132的厚度为a，外胞单元121对应的杆件132的厚度为b，满足a＞b。本方案中，内胞单元111的杆件132厚度大于外胞单元121的杆件132厚度，以使得内胞单元111的变形程度小于外胞单元121的变形程度，如此，能够使得负泊松比结构100在受到压缩时，其厚度能够进一步收缩；且在受到拉伸时，其厚度能够进一步扩张。

进一步地，在本实施例中，六个杆件132包括两组呈相对的设置的侧杆133、及位于各组侧杆133相对两端的横杆134，两组侧杆133呈相对的位于主体胞元层1的轴向的相对两侧，各组的侧杆133设有两个，且各组的两个侧杆133的一端连接于对应的横杆134，另一端朝向相对组的侧杆133倾斜设置、并连接于同组的侧杆133，以形成第二内凹部131；其中，中间胞元层2连接于横杆134。在本实施例中，中间胞元层2连接于横杆134，使得中间胞元层2在收缩或扩张时能够稳定驱使内胞元层11及外胞元层12，使得负泊松比结构100的厚度变化更加稳定。此外，负泊松比结构100在受压时，两组侧杆133均会发生弯曲变形，使得两个横杆134两端靠拢；而负泊松比结构100在被拉伸时，两组横杆134的两端对应扩张，实现结构的负泊松比效应。

需要说明的是，在本实施例中，中间胞单元21的结构与内胞单元111、外胞单元121的具体结构相同，均由六个杆件首尾依次连接而成。

进一步地，外胞元层12相对的两端分别连接有圆环3，其中，内胞元层11及中间胞元层2相对的两端分别连接于对应的圆环3。本实施例中，圆环3能够更好的承载负荷，以将压力或拉力平均的分配给各胞元层。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负泊松比结构，其特征在于，其包括：

主体胞元层，包括均呈筒体设置、且具有负泊松比效应的内胞元层及外胞元层，所述内胞元层间隔设于所述外胞元层中；以及，

中间胞元层，具有负泊松比效应、并位于所述内胞元层与所述外胞元层之间，且其连接于所述内胞元层及所述外胞元层，其中，所述中间胞元层在受压时沿所述主体胞元层的径向收缩、并在被拉伸时沿所述主体胞元层的径向扩张。

2.根据权利要求1所述的负泊松比结构，其特征在于，所述中间胞元层包括中间胞单元，所述中间胞单元呈内凹六边形设置，以在其相对的两侧形成有第一内凹部，两个所述第一内凹部沿所述主体胞元层的径向间隔设置、并分别连接有连接段，其中，位于内侧的所述连接段与所述内胞元层连接，且位于外侧的所述连接段与所述外胞元层连接。

3.根据权利要求2所述的负泊松比结构，其特征在于，所述中间胞单元设有多组，多组所述中间胞单元绕所述主体胞元层的轴向呈圆周间隔排布，且各组的所述中间胞单元设有多个，各组的多个所述中间胞单元沿所述主体胞元层的轴向依次连接。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的负泊松比结构，其特征在于，所述内胞元层包括多组内胞单元，多组所述内胞单元绕所述主体胞元层的轴向呈圆周排布，各组的所述内胞单元设有多个，且各组的多个所述内胞单元沿所述主体胞元层的轴向依次连接，相邻两组的所述内胞单元相互连接；和/或，

所述外胞元层包括多组外胞单元，多组所述外胞单元绕所述主体胞元层的轴向呈圆周排布，各组的所述外胞单元设有多个，且各组的多个所述外胞单元沿所述主体胞元层的轴向依次连接，相邻两组的所述外胞单元相互连接；

其中，所述内胞单元及所述外胞单元分别具有负泊松比效应。

5.根据权利要求4所述的负泊松比结构，其特征在于，各所述内胞单元及所述外胞单元分别包括主体段，所述主体段呈内凹六边形设置，以在其相对的两侧形成有第二内凹部，两个所述第二内凹部位于所述主体胞元层的轴向的相对两侧、并连接有附属段，所述附属段与邻组对应的所述附属段连接。

6.根据权利要求5所述的负泊松比结构，其特征在于，所述主体段包括六个首尾依次连接的杆件，所述内胞单元对应的所述杆件的厚度为a，所述外胞单元对应的所述杆件的厚度为b，满足a＞b。

7.根据权利要求6所述的负泊松比结构，其特征在于，六个所述杆件包括两组呈相对的设置的侧杆、及位于各组所述侧杆相对两端的横杆，两组所述侧杆呈相对的位于所述主体胞元层的轴向的相对两侧，各组的所述侧杆设有两个，且各组的两个所述侧杆的一端连接于对应的所述横杆，另一端朝向相对组的所述侧杆倾斜设置、并连接于同组的所述侧杆，以形成所述第二内凹部；

其中，所述中间胞元层连接于所述横杆。

8.根据权利要求4所述的负泊松比结构，其特征在于，多组所述内胞单元呈等间距设置，对应的，多组所述外胞单元等间距设置。

9.根据权利要求1所述的负泊松比结构，其特征在于，所述外胞元层相对的两端分别连接有圆环，其中，所述内胞元层及所述中间胞元层相对的两端分别连接于对应的所述圆环。

10.根据权利要求1所述的负泊松比结构，其特征在于，所述内胞元层、所述外胞元层及所述中间胞元层的材质为铝合金。