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Technischer Bereich
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Die Erfindung betrifft ein Befestigungsstück mit mehrfach negativen Poisson-Verhältnis-Eigenschaften, das ein Kopfteil und ein Rohrteil unter Verwendung einer negativen Poisson-Verhältnisstruktur erzeugt.
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Hintergrundtechnologie
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Das Poisson-Verhältnis, auch als Querverformungskoeffizient bekannt, ist ein Parameter zur Charakterisierung der Querverformung von Materialien unter Axialkraft. Die gängigen Materialien in unserem Leben haben ein positives Poisson-Verhältnis, d.h. sie dehnen sich unter Druck seitlich aus und ziehen sich unter Spannung seitlich zusammen. Im Gegenteil, das Material mit negativem Poisson-Verhältnis ziehen sich unter Druck seitlich zusammen und dehnt sich unter Spannung seitlich aus. Daher werden Materialien mit negativem Poisson-Verhältnis auch als Dilatationsmaterialien bezeichnet. Das Material mit negativem Poisson-Verhältnis ist in einigen mechanischen Eigenschaften wie Scherfestigkeit, Bruchfestigkeit, Energieabsorptions- und Energiedissipationskapazität, Dellenbeständigkeit usw. ausgezeichneter als das herkömmliche Material mit positivem Poisson-Verhältnis. Daher hat das Material mit negativem Poisson-Verhältnis eine sehr breite Anwendungsperspektive, insbesondere die Kombination mit traditionellem Industriedesign trägt dazu bei, Innovation des Industriedesigns und industrielle Innovation hervorzubringen.
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Materialien mit negativem Poisson-Verhältnis weisen häufig eine poröse Mikrostruktur auf, was eine höhere Herstellungsgenauigkeit erfordert. Durch die traditionelle Fertigungstechnologie ist es schwierig, ihre Fertigungsgenauigkeit und Komplexität zu erreichen. Die 3D-Drucktechnologie, auch als additive Fertigungstechnologie bekannt, beseitigt die Einschränkungen der traditionellen Fertigungstechnologie beim Herstellungsprozess komplexer Strukturen und kann verschiedene Arten von Materialien mit komplexen Formen drucken. Daher ist es von praktischer Bedeutung, Industrieprodukte mit negativem Poisson-Verhältnis und praktischem Anwendungswert herzustellen, indem komplexe und veränderbare mehrfach negative Poisson-Verhältnisstrukturen mit fortschrittlicher 3D-Drucktechnologie kombiniert werden.
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Je nach Anwendung wird die negative Poisson-Verhältnisstruktur jeder Komponente des Befestigungsstücks kombiniert und entworfen, und der Herstellungsprozess des 3D-Drucks wird in die Herstellung komplexer und veränderbarer Befestigungsstücke mit negativem Poisson-Verhältnis eingeführt, um die integrierte Formgebung komplexer Befestigungsstücke zu realisieren. Aufgrund der Gestaltung des konkaven Winkels im Kopf zieht sich der Kopf des Befestigungsstücks beim Einschieben zusammen, so dass der Spitzenteil leicht hineingedrückt werden kann. Wenn das Befestigungsstück herausgezogen wird, verhindern der Widerstand des Kopfes und die Reibungskraft, die durch die Dehnungsverformung des rohrförmigen Teils verursacht wird, wirksam, dass das Befestigungsstück nach außen rutscht. Daher hat das Befestigungsstück die Vorteile eines angemessenen Strukturdesigns, einer bequemen Herstellung, eines geringen Gewichts, eines schönen Aussehens und einer Materialeinsparung, und hat eine wichtige technische Bedeutung und einen bestimmten Anwendungswert.
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Inhalt der Erfindung
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Um das Design der vorhandenen Befestigungsstücke zu verbessern, zielt die Erfindung darauf ab, ein integriertes Befestigungsstück mit einer angemessenen Strukturkonstruktion bereitzustellen, das leichter einzudrücken, schwieriger herauszuziehen, leichter und schöner ist, und eine bessere Anti-Lockerungswirkung, geringere Herstellungskosten aufweist.
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Die von der Erfindung angenommene technische Lösung ist: Ein multifunktionales Befestigungsstück mit mehrfach negativem Poisson-Verhältnis-Effekt umfasst den Oberteil des Befestigungsstücks, den Rundrohrteil des Befestigungsstücks und den hinteren Teil des Befestigungsstücks. Der Oberteill des Befestigungsstücks besteht aus einer Reihe gleichmäßig verteilter bogenförmiger konkaver Strukturen mit negativem Poisson-Verhältnis. Somit kann sichergestellt werden, dass beim Zusammendrücken des Kopfes ein gleichmäßiges Zurückziehen in seitlicher Richtung auftreten kann, so dass das Befestigungsstück leicht hineingedrückt werden kann. Der Abstand zwischen dem äußersten konkaven Winkel jedes Bogens und der neutralen Achse beträgt D3, und der Außendurchmesser des Rundrohrteils beträgt D2, und der Abstand zwischen dem äußersten konkaven Winkel jedes Bogens und der Außenseite des Rundrohrs beträgt (D3-D2)/2, und seine Beziehung zum Außendurchmesser des Rundrohrteils erfüllt die folgenden Bedingungen: D2/20≤(D3-D2)/2≤D2/8 und 2mm≤(D3-D2)/2. Die oben verteilte Bogenstruktur stellt die negative Poisson-Verhältnis-Eigenschaft des Kopfes sicher, und der konkave Winkel jedes Bogens reicht von 50 ° bis 70 °. Die Anzahl N1 der bogenförmigen Konkavstangen am Oberteil des Befestigungsstücks erfüllt die folgende Bedingung: 9≤N1≤25. Das Rundrohrteil des Befestigungsstücks besteht aus einem äußeren Rundrohr mit negativem Poisson-Verhältnis und einer Stützstruktur mit negativem Poisson-Verhältnis. Unter der Wirkung der Axialkraft dehnen sich die Rohrstruktur und die Stützstruktur aus und komprimieren sich, und das Rundrohr und die Stützstruktur verformen sich, was zu einem enormen negativen Poisson-Verhältnis führt. Um die Gesamtverformung und Verformungsgleichmäßigkeit sicherzustellen, sollte die Anzahl N2 der Elemente mit negativem Poisson-Verhältnis des äußeren Rundrohrs entlang der Umfangsrichtung die Bedingungen erfüllen: N2 ≥ 6 und N2 ist gerade. Um die Verformung der Stützstruktur und des äußeren Rundrohrs zu koordinieren, ohne die Gesamtverformung des äußeren Rundrohrs zu beeinflussen, sollte die Stützstruktur mit den Verbindungstellen der benachbarten Elemente des Rundrohrs entlang der Umfangsrichtung kombiniert werden. Die Beziehung zwischen der Anzahl N2 der Elemente mit negativem Poisson-Verhältnis des äußeren Rundrohrs entlang der Umfangsrichtung und dem eingeschlossenen Winkel α zwischen benachbarten Elementen in der Stützstruktur sollte die Bedingung erfüllen: α=360°/ N2. Um die Steifigkeits- und Verformungseigenschaften des Rundrohrteils zu gewährleisten, sollte die Dicke D2/2-R1 des äußeren Rundrohrs und der Stützstruktur die folgende Bedingung erfüllen: D2/16≤D2/2-R1≤D2/8, wobei R1 der Innendurchmesser des Rundrohrteils ist. Die Beziehung zwischen der Länge L1 des Oberteils des Befestigungsstücks und der Länge L2 des Rundrohrteils des Befestigungsstücks sollte die folgende Bedingung erfüllen: 0,8≤L2/L1≤2,5. Die Beziehung zwischen dem Durchmesser D1 des Funktionsteils am hinteren Teil des Befestigungsstücks und dem Außendurchmesser D2 des Rundrohrteils des Befestigungsstücks sollte die folgende Bedingung erfüllen : 1,1≤D1/D2. Die Beziehung zwischen dem Durchmesser D1 des Funktionsteils am hinteren Teil des Befestigungsstücks und der Länge L3 des Funktionsteils am hinteren Teil des Befestigungsstücks sollte die folgende Bedingung erfüllen: 3,5≤D1/L3≤10,3.
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Vorzugsweise kann die negative Poisson-Verhältnisstruktur des äußeren Rundrohrs und der inneren Stützstruktur ersetzt werden, und die negative Poisson-Verhältnisstruktur des äußeren Rundrohrs und der Stützstruktur kann ein konkaves Sechseck, ein konkaves Dreieck, eine chirale Struktur oder eine rotierende Polygonstruktur oder andere negative Poisson-Verhältnisstrukturen sein.
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Vorzugsweise kann der Funktionsteil am hinteren Teil des Befestigungsstücks je nach spezifischer Verwendung des Befestigungsstücks in Form einer Scheibe, eines Hakens, eines Bajonetts oder einer Nut usw. gestaltet werden.
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Die konkave Stange des Befestigungsstücks dehnt sich nach dem Betreten des voreingestellten Lochs aus. Wenn das Befestigungsstück unter Spannung steht, dehnt sich die äußerste Seite des konkaven Winkels des Oberteils zur Außenseite des Lochs aus. Wenn das Befestigungsstück unter Spannung steht, wird verhindert, dass das Befestigungsstück herausgezogen wird. Gleichzeitig erhöht die Zugausdehnung der Rohrstruktur die Reibungskraft zwischen dem Befestigungsstück und dem Loch weiter, was das Herausziehen des Befestigungsstücks erschwert.
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Das Entwurfsverfahren eines multifunktionalen Befestigungsstücks mit mehrfach negativem Poisson-Verhältnis-Effekt umfasst die folgenden Schritte:
- 1) Entsprechend dem Verwendungszweck des Befestigungsstücks und der Größe des Lochs wird die Grundgröße des Oberteils des Befestigungsstücks bestimmt, einschließlich des konkaven Winkels des Oberteils des Befestigungsstücks, der Anzahl und des Winkels der konkaven Struktur.
- 2) Entsprechend den Verwendungsanforderungen werden die Länge des Rundrohrteils und der Außendurchmesser des Rundrohrs des Befestigungsstücks ausgelegt.
- 3) Um die Verformungseigenschaften, die negativen Poisson-Verhältnis-Eigenschaften und die ausreichende Festigkeit des Befestigungsstücks sicherzustellen, werden die detaillierte Größenkombinationskonstruktion und die Optimierung des Oberteils des Befestigungsstücks und des Rundrohrteils des Befestigungsstücks gemäß der ermittelten Größe durchgeführt.
- 4) Dann wird der Funktionsteil am hinteren Teil des Befestigungsstücks gemäß den Verwendungsanforderungen des Befestigungsstücks ausgelegt.
- 5) Die 3D-Drucktechnologie wird verwendet, um Befestigungsstück mit mehrfach negativem Poisson-Verhältnis-Effekt herzustellen.
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Der vorteilhafte Effekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das durch das Verfahren entworfene Befestigungsstück einen großen negativen Poisson-Verhältnis-Effekt aufweist und gleichzeitig einen negativen Poisson-Verhältnis-Effekt unter axialer Kompression und Spannung zeigen kann. Das negative Poisson-Verhältnis des Kopfes erleichtert nicht nur das Einschieben des Befestigungsstücks, sondern vergrößert auch den konkaven Innenwinkel des erweiterten Befestigungsstücks nach dem Eintritt in das Loch als den voreingestellten Hohlraum, wodurch verhindert werden kann, dass sich das Befestigungsstück herauszieht und auf natürliche Weise löst und die doppelt negative Poisson-Verhältnisstruktur des rohrförmigen Teils dehnt sich aus, wenn es gezogen wird, was das Herausziehen des Befestigungsstücks weiter verhindert. Der Funktionsteil am hinteren Teil des Befestigungsstücks kann entsprechend dem Verwendungszweck des Befestigungsstücks entworfen werden, um die Vielfalt seiner Funktionen sicherzustellen. Das nach diesem Verfahren entworfene Befestigungsstück hat eine angemessene Struktur, ist schön und leicht, weist eine Materialeinsparung und integrierte Formgebung auf, was einen guten praktischen Anwendungswert und eine gute wissenschaftliche Bedeutung hat.
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Figurenliste
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- zeigt das Strukturdiagramm eines multifunktionalen Befestigungsstücks mit mehrfach negativem Poisson-Verhältnis-Effekt.
- ist eine Seitenansicht von .
- zeigt das Strukturdiagramm der Einzelbogenstruktur am Oberteil des Befestigungsstücks. zeigt das Strukturdiagramm der doppelt negativen Poisson-Verhältnisstruktur des rohrförmigen Teils des Befestigungsstücks.
- zeigt das Strukturdiagramm der äußeren Rundrohrstruktur des Befestigungsstücks.
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Spezifische Ausführungsform
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Die Erfindung wird weiter in Kombination mit spezifischer Ausführungsform und den Abbildungen beschrieben.
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Wie in gezeigt, umfasst ein multifunktionales Befestigungsstück mit mehrfach negativem Poisson-Verhältnis-Effekt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen Oberteil 1 des Befestigungsstücks, einen Rundrohrteil 2 des Befestigungsstücks und einen hinteren Teil 3 des Befestigungsstücks umfasst, wobei der Oberteill 1 des Befestigungsstücks aus einer Reihe gleichmäßig verteilter bogenförmiger konkaver Strukturen mit negativem Poisson-Verhältnis besteht, wobei der Abstand zwischen dem äußersten konkaven Winkel jedes Bogens und der neutralen Achse D3 beträgt, wobei der Außendurchmesser des Rundrohrteils D2 beträgt, wobei der Abstand zwischen dem äußersten konkaven Winkel jedes Bogens und der Außenseite des Rundrohrs (D3-D2)/2 beträgt, wobei seine Beziehung zum Außendurchmesser des Rundrohrteils die folgenden Bedingungen erfüllt: D2/20≤(D3-D2)/2≤D2/ 8 und 2 mm ≤(D3-D2)/ 2, wobei der innere konkave Winkel θ jedes Bogens von 50 ° bis 70 ° reicht, wobei die Anzahl N1 der bogenförmigen Konkavstangen am Oberteil 1 des Befestigungsstücks die folgende Bedingung erfüllt: 9≤N1≤25, wobei das Rundrohrteil 2 des Befestigungsstücks aus einem äußeren Rundrohr mit negativem Poisson-Verhältnis und einer Stützstruktur mit negativem Poisson-Verhältnis besteht, wobei die Anzahl N2 der Elemente mit negativem Poisson-Verhältnis des äußeren Rundrohrs entlang der Umfangsrichtung die Bedingungen erfüllen sollte: N2 ≥ 6 und N2 ist gerade, wobei die Beziehung zwischen der Anzahl N2 der Elemente mit negativem Poisson-Verhältnis des äußeren Rundrohrs entlang der Umfangsrichtung und dem eingeschlossenen Winkel α zwischen benachbarten Elementen in der Stützstruktur die Bedingung erfüllt: α=360°/ N2, wobei die Dicke D2/2-R1 des äußeren Rundrohrs und der Stützstruktur die folgende Bedingung erfüllen sollte: D2/16≤D2/2-R1≤D2/8, wobei R1 der Innendurchmesser des Rundrohrteils ist, wobei die Beziehung zwischen der Länge L1 des Oberteils 1 des Befestigungsstücks und der Länge L2 des Rundrohrteils 2 des Befestigungsstücks die folgende Bedingung erfüllt: 0,8≤L2/L1≤2,5, wobei die Beziehung zwischen dem Durchmesser D1 des Funktionsteils am hinteren Teil 3 des Befestigungsstücks und dem Außendurchmesser D2 des Rundrohrteils 2 des Befestigungsstücks die folgende Bedingung erfüllt : 1,1≤D1/D2, wobei die Beziehung zwischen dem Durchmesser D1 des Funktionsteils am hinteren Teil 3 des Befestigungsstücks und der Länge L3 des Funktionsteils am hinteren Teil 3 des Befestigungsstücks die folgende Bedingung erfüllt: 3,5≤D1/L3≤10,3.
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Die negative Poisson-Verhältnisstruktur des äußeren Rundrohrs und der Stützstruktur ist als ein konkaves Sechseck, ein konkaves Dreieck, eine chirale Struktur oder eine rotierende Polygon struktur gestaltet. Der Funktionsteil am hinteren Teil 3 des Befestigungsstücks ist in Form einer Scheibe, eines Hakens, eines Bajonetts oder einer Nut ausgeführt.
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Das Entwurfsverfahren eines multifunktionalen Befestigungsstücks mit mehrfach negativem Poisson-Verhältnis-Effekt umfasst die folgenden Schritte:
- 1) Entsprechend dem Verwendungszweck des Befestigungsstücks und der Größe des Lochs wird die Grundgröße des Oberteils des Befestigungsstücks bestimmt, einschließlich des konkaven Winkels des Oberteils des Befestigungsstücks, der Anzahl und des Winkels der konkaven Struktur.
- 2) Entsprechend den Verwendungsanforderungen werden die Länge des Rundrohrteils und der Außendurchmesser des Rundrohrs des Befestigungsstücks ausgelegt.
- 3) Um die Verformungseigenschaften, die negativen Poisson-Verhältnis-Eigenschaften und die ausreichende Festigkeit des Befestigungsstücks sicherzustellen, werden die detaillierte Größenkombinationskonstruktion und die Optimierung des Oberteils des Befestigungsstücks und des Rundrohrteils des Befestigungsstücks gemäß der ermittelten Größe durchgeführt.
- 4) Dann wird der Funktionsteil am hinteren Teil des Befestigungsstücks gemäß den Verwendungsanforderungen des Befestigungsstücks ausgelegt.
- 5) Die 3D-Drucktechnologie wird verwendet, um Befestigungsstück mit mehrfach negativem Poisson-Verhältnis-Effekt herzustellen.
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Der Schlüssel zu dem Merkmal, dass das Befestigungsstück leicht hineingedrückt und nicht leicht herausgezogen werden kann, ist, dass das Oberteil und der Stangenteil des Befestigungsstücks das Design einer mehrfachen Poisson-Verhältnisstruktur aufweisen. Die konkave negative Poisson-Verhältnisbogenstruktur am Oberteil und die verteilten Strukturmerkmale lassen der Oberteill des Befestigungsstücks beim axialen Drücken stark zusammenziehen, so dass das Befestigungsstück leicht hineingedrückt werden kann. Das doppelt negative Poisson-Verhältnissystem, das durch die Kombination von äußeren und inneren Stützen des rohrförmigen Teils gebildet wird, kann sich unter Spannung ausdehnen, unter der Voraussetzung, dass die Festigkeit des Befestigungsstücks sichergestellt wird, so dass es das Herausziehen des Befestigungsstücks behindert und das Befestigungsstück negative Poisson-Verhältnismerkmale in einem sehr großen Verformungsbereich beibehalten kann.
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Darüber hinaus ist anzumerken, dass für das gewöhnliche technische Personal auf dem Gebiet eine Reihe von Verbesserungen und Verfeinerungen vorgenommen werden können, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen. Alle äquivalenten oder einfachen Änderungen, die gemäß dem im Patentkonzept der Erfindung beschriebenen Prinzip vorgenommen werden, sind im Schutzumfang des Patents enthalten. Alle Bestandteile, die in der vorliegenden Ausführungsform nicht spezifiziert sind, können durch den Stand der Technik realisiert werden.