CN112658256A - 三维增强型星型结构 - Google Patents

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Abstract

本发明主要涉及了结构设计技术领域，主要提出了一种三维增强型星型结构，其特征主要在于，包含了多个三维增强型星型结构胞元，胞元之间通过直杆分别沿X，Y和Z三轴进行等距连接。所述的三维增强型星型单胞包含了置于X，Y和Z面的三个二维单胞结构，其中最简易的二维单胞由一个负泊松比星型结构和四个增强型结构组成。本发明主要在星型结构的基础上加入了增强型结构，较于星型结构进一步的增强了结构的负泊松比效应和承载能力，同时可针对不同的应用领域，改变两结构的制成材料种类和结构各尺寸来调整结构性能，进而满足不同的应用需求。

Description

三维增强型星型结构
技术领域
本发明涉及结构设计技术领域，尤其涉及一种三维增强型星型结构。
背景技术
负泊松比结构是指当承受轴向压(拉)力时，垂直轴向方向发生收缩(拉胀)现象的特殊结构。由于其具有相对密度低、吸能较好以及胞元结构丰富等优点，在汽车行业和航空领域以及船舶制造应用前景十分可观，如汽车中的电池吸能盒，飞机中的整流罩及船舶中的隔振器等。
目前，常见的负泊松比材料主要有内凹六边形结构、星型结构及手性结构等，这些负泊松比结构设计虽然具有负泊松比特性，但是其负泊松比效应不强且一般为各向同性材料，对一些性能需求较高的场合存在一定的局限性。此外，现有的负泊松比结构设计大多为二维结构，而在三维结构的拓展上相对较少。
现有的负泊松比结构的主要问题有：
(1)针对不同应用领域时，灵活性较弱，无法做到相应性能调整；
(2)从二维结构至三维结构的拓展相对较少，无法保证结构连接处的稳定性；
(3)在两结构进行组合时，无法有效的保证增强结构的性能。
发明内容
本发明的主要目的在于，针对现有技术的缺陷，提出了一种三维增强型星型结构，在增强星型结构的负泊松比效应和承载强度的前提下，同时针对不同应用需求，采用不同材料属性组合和结构尺寸来调整结构的性能。
为实现上述技术要求，本发明采用了以下方案：
一种三维增强型星型结构，包括多个三维增强型星型单胞，每个三维单胞包含了三个二维单胞，分别置于X，Y及Z平面上；
所述的每个二维单胞主要由星型结构和四个增强型结构组成，其中星型结构的制成材料属性为铝，而增强型结构的制成材料属性为钢；
所述的多个三维增强星型单胞分别沿X，Y和Z三轴方向依次分布；
相邻两三维单胞之间主要以连接杆形式连接，胞元之间的距离相等；
单胞间连接杆的长度与单胞等效正方形边长的长度之比为1∶3；
增强结构的胞壁与星型结构的胞壁所成夹角为22.5°。
本发明提出了一种三维增强型星型结构。以二维星型结构为基础加入了增强型结构，再进行三维结构的嵌锁搭接，从而得到了一种新型负泊松比结构。提出的新型结构被轴向压缩时，横向方向产生收缩的效果。由于结构的完全对称性，这种新型的负泊松比结构在X，Y及Z方向均具有负泊松比特性，在各方向上的变形均匀且具有相同的力学性能。在具体应用上，可依据需求来改变两结构的材料种类以及尺寸，进而改变其整体结构的力学性能，灵活性较强。
附图说明
图1是三维增强型星型单胞结构示意图；
图2是组成三维增强型星型结构的二维胞元结构示意图；
图3是组成三维增强型星型单胞中的增强结构示意图；
图4是三维增强型星型结构示意图；
图5是三维增强型星型结构受力变形示意图。
图2中1表示材料属性为铝，2表示材料属性为钢。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为三维增强型星型结构单胞的示意图，主要由三个二维单胞分别置于X，Y和Z面上进行组合而成；
图2为组成三维增强型星型单胞的简易二维胞元结构示意图，主要由星型结构和四个增强型结构搭嵌组合而成，单胞间连接杆的长度与单胞等效正方形边长的长度之比为1∶3，其中1表示外胞壁星型结构的制成材料属性为铝，2表示增强型结构的制成材料为钢；
图3为增强型星型结构中的增强结构，主要均匀分布在X和Y轴上，其中增强结构的胞壁与星型结构胞壁夹角为22.5°；
图4为三维增强型结构示意图，主要包含多个三维增强型星型单胞，分别均匀排列在X，Y和Z轴上，其中胞元之间主要依靠直杆连接；
图5为三维增强型星型结构的受力变形图，其中结构Y方向底端采用完全固定约束，Y方向上端部分施加载荷，结果显示，结构X方向两端变形一致，且当Y方向加载时，X和Z方向变形趋近一致。
本发明提出了一种三维增强型星型结构。以二维星型结构为基础加入了增强型结构，再进行三维结构的嵌锁搭接，从而得到了一种新型负泊松比结构。提出的新型结构被轴向压缩时，横向方向产生收缩的效果。由于结构的完全对称性，这种新型的负泊松比结构在X，Y及Z方向均具有负泊松比特性，在各方向上的变形均匀且具有相同的力学性能。在具体应用上，可依据需求来改变结构的材料种类以及尺寸，进而改变其整体结构的力学性能，灵活性较强。
以上实例仅用于说明本发明，但不能限制用于说明本发明内容。选择和描述实例仅是为了更好的说明本发明的原理和应用，本领域的技术人员应当理解，其中关于结构的尺寸、角度及结构的组合材料属性不限于此实例中，可通过具体的应用要求进行相应的选择或替换。为了避免繁琐，本发明的实例仅选择较有代表性的方案进行数值模拟验证，其他相应结构以及方案也可以采用相同方式进行验证。

Claims (7)

1.一种三维增强型星型结构，其特征在于，包含多个三维增强型星型单胞，分别沿X，Y和Z三轴依次延伸，其中每个三维单胞结构包含三个二维单胞，主要分布在X，Y和Z面。
2.根据权利要求1所述的三维增强型单胞结构，其特征在于，多个三维增强型单胞主要分别沿着空间X，Y和Z三轴依次延伸。
3.根据权利要求2所述的三维增强型星型结构，其特征在于，多个三维增强型星型单胞沿每一轴向分布时，相邻两个单胞之间依靠直杆进行等距连接。
4.根据权利要求1所述的三维增强型星型结构，其特征在于，三维增强型星型单胞包含了三个二维单胞，并分别置于X，Y和Z平面上。
5.根据权利要求4所述的三维增强型星型结构，其特征在于，二维单胞主要由一个星型单胞和四个增强型结构组成。
6.根据权利要求5所述的三维增强型星型结构，其特征在于，增强型结构与星型单胞间的连接杆厚度与星型外胞壁厚度一致。
7.根据权利要求6所述的三维增强型星型结构，其特征在于，增强型结构为避免尖角失稳，进行了平杆处理。
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