CN220248773U - 一种杆件增强星形负泊松比蜂窝结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，包括多个在同一平面内周期性排列的四角星形单胞，每个星形单胞是由多个胞壁围成的空心封闭结构，其中奇数列的星形单胞上下的两个凹角用一个胞壁连通，将星形单胞分成两个空心区域；四角星形单胞由八个倾斜胞壁组成，每两个胞壁通过相同的角度连接在一起，最终形成中心对称的星形单胞，上下相邻的两个单胞以相同的x轴坐标摆放，中间构成一个菱形空心区域，左右单胞交错排列，每两个单胞之间共用一个倾斜胞壁。本新型结构在竖直方向具有明显的负泊松比效应，并且相比于传统星形结构具有更好的承载能力和能量吸收效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及力学超材料设计技术领域，具体的讲是一种杆件增强星形负泊松比蜂窝结构。
背景技术
现代技术对材料的要求越来越高，传统材料已经无法满足特定的要求。负泊松比材料/结构具有特殊的物理、机械和变形特性。例如，负泊松比材料相较于传统材料具有受拉膨胀或受压收缩的性质；负泊松比效应可以提高材料的机械性能，包括剪切模量、能量吸收、抗压痕性、耐撞性能等。因此负泊松比材料可以应用在医疗、防护设备、航空航天、体育运动、建筑等多种领域。
由于天然负泊松比材料种类较少，且难以直接应用于实际，所以人工设计的方法成为主要途径，目前大量的研究已经设计出了各种不同的单胞结构，并对结构进行了分析与实验，常见的负泊松比单胞结构主要包括：双箭头结构、内凹六边形结构、星形结构、手性/反手性结构等。
这些已有的结构具备良好的负泊松比效应，但有的结构在承载能力上没有达到较好的效果，因此本文针对传统星形负泊松比蜂窝结构，提出一个能明显提高其承载能力的杆件增强星形负泊松比蜂窝结构。
为了能充分发挥负泊松比结构的机械性能，通过对传统构型的改造与创新，让新型材料的设计更具针对性，本文在传统负泊松比构型的基础上，实现对构型承载能力的提升，对增强结构稳定性，提高平台应力和能量吸收效率具有重要的意义，同时也为负泊松比材料的研究提供新的思路。
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，提供一个杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，本实用新型在竖直方向加载时有明显的负泊松比效应，相较于传统星形单胞结构，增加了变形模式的转化，从而提高了结构的承载能力和能量吸收效率。
为解决以上技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
一种杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，包括多个在同一平面内周期性排列的四角星形单胞，所述星形单胞由多条胞壁围成且内部为四角星形空心区域的封闭结构，其中四角星形区域被一条竖直胞壁等分为两个对称的空心区域；
每个星形单胞由八个等倾斜胞壁和一个竖直胞壁构成，所述等倾斜胞壁和竖直胞壁均为杆件，每两个倾斜胞壁相互连接形成内凹箭头结构组成四角星形，竖直胞壁连接单胞上下的两个内凹箭头且与星形单胞的轴线重合。
进一步的，左右相邻的星形单胞共用一个倾斜胞壁，上下相邻的两个星形单胞位于同一条竖直线上并且中间构成一个封闭空心菱形区域。
进一步的，八个等倾斜胞壁组成的四角星形空心区域中心对称。
进一步的，一个星形单胞内，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箭头结构的顶角不接触。
进一步的，所述倾斜胞壁和竖直胞壁的杆件直径相同。
进一步的，所述倾斜胞壁和竖直胞壁的截面均为矩形。
进一步的，所述星形单胞为铝合金材质。
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：
本实用新型的杆件增强星形负泊松比蜂窝结构在受到竖直方向压缩时，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，四角星形单胞两边的斜胞壁旋转向内聚集，上下两个相邻的四角星形单胞之间的菱形间隙被压缩至消失，变形为有杆件支撑的内凹六边形(类“工”字形)蜂窝结构，进入压缩第二阶段，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。
本实用新型的杆件增强星形负泊松比蜂窝结构在受到竖直方向的压缩时，有明显的负泊松比效应，相比于传统星形结构提高了结构的承载能力和能量吸收效率，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为本实用新型杆件增强星形结构的“全支撑”模型平面示意图；
图2为本实用新型杆件增强星形结构支撑单胞1结构的平面示意图；
图3为本实用新型杆件增强星形结构的“半支撑”模型平面示意图；
图4为本实用新型杆件增强星形结构传统单胞2结构的平面示意图；
图5为本实用新型实施例中的杆件增强星形结构支撑单胞1结构的平面示意图；
图6为用新型的支撑单胞1的参数示意图；
图7为本实用新型“全支撑”模型的竖直方向有限元加载示意图；
图8为本实用新型“半支撑”模型的竖直方向有限元加载示意图；
图9为本实用新型杆件增强星形结构的“全支撑”模型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10为本实用新型杆件增强星形结构的“半支撑”模型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11为杆件增强星形结构的“全支撑”模型、“半支撑”模型和相同参数下的传统星形结构在竖直方向压缩载荷下的泊松比-应变曲线图；
图12为杆件增强星形结构的“全支撑”模型、“半支撑”模型和相同参数下的传统星形结构在竖直方向压缩载荷下的名义应力-应变曲线图；
图13为杆件增强星形结构的“全支撑”模型、“半支撑”模型和相同参数下的传统星形结构在竖直方向压缩载荷下的能量吸收-应变曲线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、杆件增强星形单胞；11、星形倾斜胞壁；111、第一倾斜胞壁；112、第二倾斜胞壁；113、第三倾斜胞壁；114、第四倾斜胞壁；115、第五倾斜胞壁；116、第六倾斜胞壁；117、第七倾斜胞壁；118、第八倾斜胞壁；12、竖直胞壁。
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，一种杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，包括多个在同一平面内周期性排列的杆件增强星形单胞1，所述杆件增强星形单胞1由多条外胞壁围成且内部为星形区域的封闭结构；
杆件增强星形单胞1包括八个倾斜胞壁11和一个竖直胞壁12，每两个倾斜胞壁11相互连接形成箭头结构组成四角星形，竖直胞壁12连接单胞上下的两个内凹箭头，所述倾斜胞壁11的两端分别与相邻的倾斜胞壁的顶端或底端连接，从而形成上下左右对称且内凹的闭合结构。
如图1所示，作为一种实施方式，左右相邻的杆件增强星形单胞1之间没有间隙，上下两个相邻的杆件增强星形单胞1之间形成菱形间隙，上下相邻的两个杆件增强星形单胞1通过端点连接，左右相邻的两个杆件增强星形单胞1共用一个倾斜胞壁11。杆件增强星形单胞1交替排列形成“全支撑”模型。
如图3和图4所示，传统的星形负泊松比蜂窝结构，包括多个在同一平面内周期性排列的单胞2，所述单胞2由多条外胞壁围成且内部为星形区域的封闭结构。
如图3所示，作为一种实施方式，左右相邻的杆件增强星形单胞1与星形单胞2之间没有间隙，上下两个相邻的杆件增强星形单胞1之间形成菱形间隙，上下相邻的两个杆件增强星形单胞1通过端点连接，左右相邻的两个杆件增强星形单胞1与单胞2共用一个倾斜胞壁。杆件增强星形单胞1组成的列单元与星形单胞2组成的列单元交替排列形成“半支撑”模型。为了使结构对称，减少边界对实验造成的影响，单胞1的列数等于单胞2的列数加一。
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，所述单胞2与单胞1的外胞壁具有相同的结构。
作为一种实施方式，所述倾斜胞壁11、倾斜胞壁21和竖直胞壁12和的壁厚均为t。
作为一种实施方式，所述倾斜胞壁11、倾斜胞壁12和竖直胞壁12的截面均为矩形。
如图6所示，倾斜胞壁11的长度为L1，长度L0、高度H0由胞壁长度L1和角度α共同决定，竖直胞壁12的长度为L2，L2由长度L0和角度α决定，角度β由角度α决定，L0和H0的计算公式为：L2的计算公式为：/>β的计算公式为：β＝π-α。
在本实施例中，杆件增强星形单胞的具体尺寸为：L1＝5mm，α＝120°，t＝0.5mm。
作为一种实施方式，所述杆件增强星形单胞1和星形单胞2由铝合金制成。
在本实施例中，如图5所示，倾斜胞壁11包括第一倾斜胞壁111；第二倾斜胞壁112；第三倾斜胞壁113；第四倾斜胞壁114；第五倾斜胞壁115；第六倾斜胞壁116；第七倾斜胞壁117；第八倾斜胞壁118；
第一倾斜胞壁111和第二倾斜胞壁112设置于杆件增强星形单胞1的上侧，且第一倾斜胞壁111的底端和第二倾斜胞壁112的顶端连接，第一倾斜胞壁111和第二倾斜胞壁112组合形成“∨”状的内凹箭头结构，第六倾斜胞壁116和第五倾斜胞壁115设置于杆件增强星形单胞1的下侧，且第六倾斜胞壁116的底端和第五倾斜胞壁115的顶端连接，第六倾斜胞壁116和第五倾斜胞壁115组合形成“∧”状的内凹箭头结构，“∨”状的内凹箭头结构和“∧”状的箭头折弯结构上下相互对称；
第八倾斜胞壁118和第七倾斜胞壁117设置于杆件增强星形单胞1的左侧，且第八倾斜胞壁118的底端和第七倾斜胞壁117的顶端连接，第八倾斜胞壁118和第七倾斜胞壁117组合形成“>”状的内凹箭头结构，第三倾斜胞壁113和第四倾斜胞壁114设置于杆件增强星形单胞1的右侧，且第三倾斜胞壁113的底端和第四倾斜胞壁114的顶端连接，第三倾斜胞壁113和第四倾斜胞壁114组合形成“<”状的内凹箭头结构，“>”状的内凹箭头结构和“<”状的箭头折弯结构左右相互对称；
第一竖直胞壁12设置于杆件增强星形单胞1的中间，且第一竖直胞壁12的顶端和第一倾斜胞壁111与第二倾斜胞壁112的交点连接，第一竖直胞壁12与第一倾斜胞壁111和第二倾斜胞壁112的外凹角角平分线重合，形成“Y”状结构，第一竖直胞壁12的底端和第六倾斜胞壁116与第五倾斜胞壁115的交点连接，第一竖直胞壁12与第六倾斜胞壁116和第五倾斜胞壁115的外凹角角平分线重合，形成“倒Y”状结构，“Y”状结构和“倒Y”状结构上下相互对称。
为了比较杆件增强星形负泊松比蜂窝结构吸能特性，选取传统星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。蜂窝材料为铝合金，采用理想弹塑性材料模型，沿z轴方向的面外厚度为2mm，刚性板均定义为刚体。计算过程中杆件增强星形负泊松比蜂窝结构选用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0.5mm。整个模型采用通用接触算法，摩擦系数为0.2。
为了保证杆件增强星形负泊松比蜂窝结构有限元模拟时不受尺寸效应的影响，如图7、图8所示，竖直方向加载时竖直和水平方向的单胞数分别为7和9。
如图9所示，在受到竖直载荷时，“全支撑”模型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，杆件增强星形单胞的外胞壁发生旋转向内聚集，边界的单胞最先变形，形成类“工”字结构水平变形带，随着压缩的进行，该变形带逐渐增大，向模型中部延伸，并且伴随横向收缩变形，模型呈现负泊松比效应。在倾斜胞壁发生旋转变形的过程中，竖直胞壁未发生明显变化。第二变形阶段：当所有的杆件增强星形单胞1的上下倾斜胞壁旋转至水平，结构变形为类“工”字结构交替排列的致密化带，致密化带逐渐向固定端扩展。
如图10所示，在受到竖直载荷时，“半支撑”模型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，杆件增强星形单胞的外胞壁发生旋转向内聚集，边界的单胞最先变形，形成类“工”字结构与菱形结构交替的水平变形带，随着压缩的进行，该变形带逐渐增大，向模型中部延伸，并且伴随横向收缩变形，模型呈现负泊松比效应。在倾斜胞壁发生旋转变形的过程中，竖直胞壁未发生明显变化。第二变形阶段：当所有的杆件增强星形单胞1的上下倾斜胞壁旋转至水平，结构变形为类“工”字结构与菱形交替排列的致密化带，致密化带逐渐向固定端扩展。
如图11所示，给出了本实用杆件增强星形结构“全支撑”模型与“半支撑”模型的名义泊松比-应变曲线图。从图11可以看出，本实用杆件增强星形结构在受到竖直方向荷载时，具有负泊松比效应。
如图12所示，给出了本实用杆件增强星形结构“全支撑”模型、“半支撑”模型和传统星形结构在受到竖直方向载荷作用下的名义应力-应变曲线图，加载速度为1mm/s。从图12可以看出，本实用杆件增强星形结构具有两个平台应力阶段，第一平台阶段；杆件增强星形结构外胞壁发生旋转变形，第二平台应力阶段：杆件增强星形胞元的竖直胞壁与变形的外胞壁形成的类“工”字结构在面内压缩载荷的作用下屈服。如图12所示，“全加杆”模型的第二应力平台高于“半加杆”模型的第二应力平台。
如图13所示，给出了本实用杆件增强星形结构“全支撑”模型、“半支撑”模型和传统星形结构在受到竖直方向载荷作用下的能量吸收-应变曲线图。从图13可以看出，本实用杆件增强星形结构的能量吸收效应优于传统结构，并且“全支撑”模型的能量吸收效应也优于“半支撑”模型。
与传统星形结构相比，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，且在第二个平台阶段时出现了应力增强，因此结构可以分别应对小能量冲击和大能量冲击，明显地增强了能量吸收性能和效率，且变形稳定，大大地提高了结构的抗冲击性能。
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)
1.一种杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，其特征在于，包括多个在同一平面内周期性排列的四角星形单胞(1)，所述星形单胞(1)由多条胞壁围成且内部为四角星形空心区域的封闭结构，其中四角星形区域被一条竖直胞壁等分为两个对称的空心区域；
每个星形单胞(1)由八个等倾斜胞壁(11)和一个竖直胞壁(12)构成，所述等倾斜胞壁(11)和竖直胞壁(12)均为杆件，每两个倾斜胞壁(11)相互连接形成内凹箭头结构组成四角星形，竖直胞壁(12)连接单胞上下的两个内凹箭头且与星形单胞(1)的轴线重合，每个星形单胞(1)的多个倾斜胞壁(11)两端首尾顺次相连。
2.根据权利要求1所述的杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，其特征在于，左右相邻的星形单胞(1)共用一个倾斜胞壁(11)，上下相邻的两个星形单胞(1)位于同一条竖直线上并且中间构成一个封闭空心菱形区域。
3.根据权利要求1所述的杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，其特征在于，八个等倾斜胞壁(11)组成的四角星形空心区域中心对称。
4.根据权利要求1所述的杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，其特征在于，一个星形单胞(1)内，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箭头结构的顶角不接触。
5.根据权利要求1所述的杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，其特征在于，所述倾斜胞壁(11)和竖直胞壁(12)的杆件直径相同。
6.根据权利要求1所述的杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，其特征在于，所述倾斜胞壁(11)和竖直胞壁(12)的截面均为矩形。
7.根据权利要求1所述的杆件增强星形负泊松比蜂窝结构，其特征在于，所述星形单胞(1)为铝合金材质。
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