CN114941673A - 用于缓冲吸能的复合负泊松比结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，用于缓冲吸能的复合负泊松比结构包括内凹星形结构，其为具有多个凹角点的镂空结构，所述镂空结构中设有作为内部约束的薄壁圆结构，薄壁圆结构与所述凹角点耦合连接，所述内凹星形结构经由几何镜像且周期性阵列形成二维的复合负泊松比结构，所述内凹星形结构之间经由梁状结构连接。

Description

用于缓冲吸能的复合负泊松比结构

技术领域

本发明涉及负泊松比结构技术领域，尤其涉及一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构。

背景技术

泊松比是材料的一种固有特性，是指材料在受到载荷时沿垂直载荷方向的应变与沿载荷方向的应变比值的负值，是衡量材料变形特性的力学参数。自然界中绝大多数材料均表现出正的泊松比，即受拉时沿垂直载荷方向收缩，受压时沿垂直载荷膨胀。而负泊松比力学超材料作为一种人工设计的结构型材料，通过合理的结构设计可以使结构整体表现出非常规的负泊松比效应，即受拉膨胀、受压收缩的变形特点，又称拉胀效应，这使得其具有轻质、高比吸能、高比强度等优异的力学性能，在缓冲吸能和结构的冲击防护方面具有较大的应用潜力。

目前的负泊松比材料或结构中，绝大多数在受压时其应力应变曲线只有一个平台阶段，其变形模式比较单一，具有较大的随机性和不稳定性，使得平台应力波动较大，导致结构整体吸能效果不佳，而且初始应力峰值一般都大于平台应力值，极不利于结构的缓冲防护。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，进一步提高负泊松比结构的力学性能和缓冲吸能能力，具有多步变形和多个吸能平台，相较于其他结构其变形模式多样，变形过程稳定有序，能量吸收更高。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构包括，

内凹星形结构，其为具有多个凹角点的镂空结构，所述镂空结构中设有作为内部约束的薄壁圆结构，薄壁圆结构与所述凹角点耦合连接，所述内凹星形结构经由几何镜像且周期性阵列形成二维的复合负泊松比结构，所述内凹星形结构之间经由梁状结构连接。

所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构中，所述梁状结构为薄壁梁。

所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构中，所述梁状结构的强度小于所述内凹星形结构。

所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构中，所述薄壁圆结构与所有的所述凹角点耦合连接。

所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构中，所述复合负泊松比结构在压缩载荷作用下表现出三个应力平台以及三个变形步骤。可以理解的，所述复合结构具有明显的负泊松比特性，所述薄壁圆结构与星形镂空结构之间存在运动的耦合，引入了薄壁圆的侧向压缩模态，所述结构具有不同在准静态压缩下具有三个吸能应力平台，表现出有序的三步变形模态。

所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构中，所述内凹星形结构为中心对称结构。

所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构中，所述镂空结构的胞壁长度l均相等，胞壁厚度t遵循胞壁细长比t/l<1/10。

所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构中，所述内凹角度α为55°<α<75°，内凹星形结构之间的夹角φ为0°<φ<90°。

所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构中，所述内凹星形结构为具有四个凹角点的中心对称的镂空结构，所述内凹星形结构先沿y轴镜像布置，然后将镜像后的结构沿x轴再次镜像布置，形成代表性体积单元，再将代表性体积单元沿x轴和y轴进行周期性阵列，形成二维的周期性结构。

所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构中，所述内凹星形结构的材料是铝合金、不锈钢、钛合金、尼龙或树脂。

在上述技术方案中，本发明提供的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，具有以下有益效果：本发明所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构在承受压缩载荷时，表现出有序稳定的三个变形步骤，变形模态多样化，相应的应力应变曲线上除了弹性阶段和致密阶段之外，表现出独特的三个平台应力阶段，这一变形特性解决了当前结构变形随机不稳定、变形模态单一、应力平台只有一个的局限性。第一平台应力由梁状连接承受弯矩发生弯曲变形产生；对于第二平台应力，结构在压缩载荷作用下，星形结构的水平节点发生对向收缩运动带动竖直节点的竖直平移，从而导致星形结构胞壁的旋转个和弯曲，以及薄壁圆结构的变形，从而产生第二个平台应力；在第三步变形过程中，主要是由于薄壁圆结构的进一步变形以及星形结构斜壁的弯曲和旋转导致第三个应力平台的出现。每一个平台阶段的变形机理不同，通过对结构整体的合理设计以及胞元之间的合理相互作用，可以对结构的变形步和平台应力进行独立的改进设计，以进一步提高结构的平台应力和吸能效果。本结构具有良好的能量吸收能力，相较于现有的负泊松比结构，新型结构巧妙地将旋转结构的旋转特性及负泊松效应与可重入结构的大变形进行结合，通过公共节点连接，将水平位移载荷转化为竖直位移载荷，间接引入胞壁圆的侧向压缩，进一步提高结构的变形能力，耗散更多的能量，表现出更好的吸能效果。本发明根据实际的工程指标需求，选择合适的结构几何参数，以满足不同的应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是用于缓冲吸能的复合负泊松比结构的结构示意图；

图2是用于缓冲吸能的复合负泊松比结构的一个实施例的有限元仿真模型示意图；

图3是用于缓冲吸能的复合负泊松比结构的一个实施例的模拟结构在压缩载荷下的变形情况示意图；

图4是用于缓冲吸能的复合负泊松比结构的一个实施例的模拟结构在压缩载荷下的力学响应示意图；

图5是用于缓冲吸能的复合负泊松比结构的一个实施例的结构的几何参数会对其整体性能影响示意图；

图6是用于缓冲吸能的复合负泊松比结构的一个实施例的压缩应变与比吸能的关系示意图；

图7是用于缓冲吸能的复合负泊松比结构的一个实施例的具有多个应力平台阶段的结构设计思路及几何形式布置图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图图1至图7，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

在一个实施例中，用于缓冲吸能的复合负泊松比结构包括内凹星形结构2，其为具有多个凹角点7的镂空结构，所述镂空结构中设有作为内部约束的薄壁圆结构3，薄壁圆结构3与所述凹角点7耦合连接，所述内凹星形结构2经由几何镜像且周期性阵列形成二维的复合负泊松比结构，所述内凹星形结构2之间经由梁状结构4连接。本发明有效改善负泊松比结构变形模式单一的现状，使其变形过程具有稳定有序可控的特点，同时本发明进一步提高了负泊松比结构的比吸能，推动了负泊松比结构在缓冲吸能领域的应用，为新型结构型材料的设计提供参考。本发明适用于包括汽车保险杠和防撞梁的吸能盒设计在内的多种缓冲防护结构的设计，通过对结构材料、尺寸等合理的选择，可以实现不同载荷作用下的缓冲吸能，减少载荷对结构的破坏作用。

在一个实施例中，如图1所示，在传统的旋转刚性方形的结构基础上，使用小厚度的梁状结构4作为连接，代替原有的理想铰链连接，并对刚性方形进行镂空设计，形成一个新的星形结构，利用薄壁圆作为一个内部约束，与星形的四个角点共同连接，并对其进行几何镜像及周期性阵列，形成一种二维的复合型负泊松比结构。

该结构在承受压缩载荷时，由于梁状连接的强度相较于星形结构来说小的多，相当于一个可以承受并传递弯矩的铰链，使得相邻星形结构会绕梁状连接沿相反方向旋转，结构整体发生内凹收缩，呈现出负泊松比的特性。在整个压缩过程中由于梁状结构4和胞壁的自接触，会形成稳定的中间几何结构，从而表现出有序稳定的三个变形步骤，并且在应力应变曲线上表现出三个平台应力阶段，这使得结构的整体抗压强度有所提升，从而提高能量吸收能力。

需要说明的是，该结构由两种负泊松比结构合理组合而成，同时引入了具有较好抗压能力和吸能效果的薄壁圆结构3，进一步增强了结构的整体力学性能和吸能能力。本发明中星形结构的胞壁长度l均相等，胞壁厚度t可根据具体情况进行选择，遵循胞壁细长比t/l<1/10的原则。星形结构的内凹角度α为55°<α<75°，星形结构之间的夹角φ为0°<φ<90°。梁状连接的长度和厚度没有具体规定，视具体应用需求而定。结构在面外方向宽度固定，具体数值以结构在承受压缩载荷时不发生面外变形为依据。在本发明中的一个实施例中，相应的几何参数为：l＝20mm，t＝1mm，l1＝2mm，t1＝1mm，α＝60°，φ＝30°。几何参数可是具体的应用场合和功能需求进行灵活改变。

在一个实施例中，复合负泊松比结构包括：互成一定角度的内凹星形结构2、梁状连接结构、薄壁圆结构3，其中星形结构通过梁状结构4直接连接，薄壁圆结构3作为内部约束与星形结构的四个凹角点7耦合连接，结构是由星形-圆基本复合结构先沿y轴镜像布置，然后将镜像后的结构沿x轴再次镜像布置，形成代表性的体积单元，再将代表性体积单元沿x轴和y轴进行周期性阵列，形成二维的周期性结构。值得注意的是，本发明中的一个较佳实施例采用的是2×2周期性结构，一方面可以准确的表现结构的特殊性质，同时提高了计算效率，技术人员可以根据实际结构的应用场合和安装空间，对结构的周期性数量进行适当的变化，其变形特性保持不变，满足不同的需求。

在一个实施例中，图1显示了本发明的具体实施例，方形外框1作为星形结构的尺寸约束，以虚线的形式在图中表现，实际制备时不出现；在方形外框的尺寸约束下，内凹星形结构2具有内凹角度α＝60°，其胞壁长度均为l＝20mm，厚度t＝1mm薄壁圆结构3作为星形结构的内部约束，与2的四个角点耦合连接，形成一个镂空结构，薄壁圆的尺寸由星形所决定；方形外框1、内凹星形结构2、薄壁圆结构3组成的结构之间通过一系列的镜像及阵列操作之后，形成了周期性的结构，并且通过梁状结构4进行连接，梁状结构4的长度l1＝2mm，厚度t1＝1mm。本实施例选用2×2的周期性阵列进行分析。这种复合设计一方面保留了传统旋转多变形结构的旋转以及负泊松比特性，同时通过可重入结构与薄壁圆结构3的耦合连接，改变结构的变形模式，进一步增强其整体的力学性能和能量吸收能力。

由于结构的复杂性，本发明提出的结构建议采用3D打印技术进行一体化成形制备，一方面保证结构的加工精度和完整性，另一方面可以降低加工成本，提高加工效率。需要指出的是，本发明中结构的基体材料可以是铝合金、不锈钢、钛合金等金属，也可以是尼龙、树脂等非金属材料，可根据具体的应用场合和力学性能需求选择。在本实施例的分析中，选用铝合金作为基体材料研究结构的变形和力学响应。为了明确的展现本发明结构的特殊变形模式以及应力应变响应，借助有限元分析软件ANSYS WORKBENCH LS-DYNA对结构开展压缩仿真建模，其有限元仿真模型如图2所示，结构被放置在移动压盘5和固定底座6之间，给上盘施加一个固定的常速度，设置结构与盘以及结构自身的接触，模拟结构在压缩载荷下的变形情况和力学响应。变形模式及力学响应的结果如图3、图4所示。

如图2所示，在0°<φ<90°范围内，结构均保持三步变形和三个平台阶段的特性，但是其平台阶段开始和结束时对应的局部应变会随之发生变化；在55°<α<75°，结构保持原有特性，应变也会发生变化。对于参数l和t，随着l的减小和t的增大使得结构的平台应力增大，而参数l1和t1的变化对结构的整体力学性能和变形特性影响较小。几何参数对结构的影响规律对于结构的进一步优化设计具有指导意义，因此可以根据实际的工程指标需求，选择合适的结构几何参数，以满足不同的应用需求。

从图中可以看出，本实施例在纵向压缩载荷下，首先导致星形结构产生旋转运动，并且整体发生明显的横向收缩，表现出负泊松比效应，这得益于星形结构之间的梁状连接，由于梁状连接的强度较星形-圆耦合结构低的多，因此星形-圆结构会绕梁状连接发生对向旋转，使得梁状结构4发生弯曲变形，导致第一个平台阶段的产生；随后结构发生自接触，形成几何结构1，此时应力应变曲线上出现一个陡坡；继续压缩时，几何结构1中的水平节点进一步产生对向的收缩运动，通过薄壁圆与角点的耦合连接，将水平的相当对运动转换为竖直节点的相对运动，带动星形结构中竖直胞壁的相对旋转，直至旋转至水平发生胞壁自接触，形成几何结构2，此过程为第二平台阶段，主要是由星形结构的胞壁变形形成的。当压缩位移继续增大是，结构继续发生变形，但是与前两步不同的是，由于部分梁状结构4的分离，导致整体出现横向扩张，中间出现了不稳定的垮塌，使得应力减小，当部分胞壁接触时，应力开始增大，直到所有胞壁完全接触达到致密化，应力急剧增大。上述过程即为本实施例在压缩载荷作用下的变形过程，很显然，该结构具有两个中间几何结构，与现有的结构变形模态的随机和不稳定相比，该结构的中间几何结构使得结构具有多个平台应力，从而进一步的提高了结构的整体抗压能力，并且其变形模态稳定均匀，也可以减少压缩过程中应力的波动，从而提高结构的吸能效率。

通过参数分析，发现本发明中结构的几何参数会对其整体性能产生明显影响，其影响规律如图5所示，此结果可为结构在不同需求和不同场合的应用提供多样化的参数选择，具有更好的适应性。通过比吸能的对比研究发现，本发明实施例的比吸能相较于现有其他结构具有明显的三段特征，与三个平台应力阶段是相对应的，这种特性使得结构的整体比吸能比其他结构更高，更有利于吸收更多的能量，如图6示，本发明的比吸能整体上高于现有其他结构。此外，本发明中针对薄壁圆结构3的几何形式做了通用的设计规定，如图7所示，即在薄壁圆的基础上，引入等弦分割点，然后依次连接成封闭的多边形，只需保证星形结构四个凹角点7与多边形的角点进行耦合连接即可，这种设计规定对于星形约束结构的选择更加灵活，使得其可设计性更强，在工程应用时也有更多的选择。例如，一种基于圆弧等弦分割策略的三步变形及三平台阶段负泊松比结构中，薄壁圆在保证四个角点共同接触的情况下，对圆弧进行等弦分割，即在每段弧中插入若干个等分点，然后依次连接，形成封闭的多边形。实际工程应用中可以选用不同的分割点数，以获得不同相对密度的结构，满足不同的比吸能需求，具有较大的灵活性和广泛的适应性。

最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，其包括，

内凹星形结构，其为具有多个凹角点的镂空结构，所述镂空结构中设有作为内部约束的薄壁圆结构，薄壁圆结构与所述凹角点耦合连接，所述内凹星形结构经由几何镜像且周期性阵列形成二维的复合负泊松比结构，所述内凹星形结构之间经由梁状结构连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，优选的，所述梁状结构为薄壁梁。

3.根据权利要求1所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，所述梁状结构的强度小于所述内凹星形结构。

4.根据权利要求1所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，所述薄壁圆结构与所有的所述凹角点耦合连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，所述复合负泊松比结构在压缩载荷作用下表现出三个应力平台以及三个变形步骤。

6.根据权利要求1所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，所述内凹星形结构为中心对称结构。

7.根据权利要求6所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，所述镂空结构的胞壁长度l均相等，胞壁厚度t遵循胞壁细长比t/l<1/10。

8.根据权利要求1所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，所述内凹角度α为55°<α<75°，内凹星形结构之间的夹角φ为0°<φ<90°。

9.根据权利要求1所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，所述内凹星形结构为具有四个凹角点的中心对称的镂空结构，所述内凹星形结构先沿y轴镜像布置，然后将镜像后的结构沿x轴再次镜像布置，形成代表性体积单元，再将代表性体积单元沿x轴和y轴进行周期性阵列，形成二维的周期性结构。

10.根据权利要求9所述的一种用于缓冲吸能的复合负泊松比结构，其特征在于，所述内凹星形结构的材料可以是铝合金、不锈钢、钛合金、尼龙或树脂。

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