CN113968197B - 三维负泊松比沙漏型结构及基于该结构的蜂窝组合结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料结构技术领域，尤其是涉及一种三维负泊松比沙漏型结构。包括交叉重合放置的内凹结构体，所述内凹结构体包括两条平行放置的顶杆和底杆，所述顶杆和底杆通过倾斜立杆连接，所述倾斜立杆包括互成夹角的第一立杆和第二立杆，所述第一立杆和第二立杆的交点之间通过中间水平杆连接，所述第一立杆和第二立杆均设有弯折处，所述弯折处上方的立杆为上斜杆，所述弯折处下方的立杆为下斜杆。本发明还提供基于该结构的蜂窝组合结构以及组合方法。在冲击变形过程中，轴面面积增加能够抵消和缓冲外部载荷的压力，压力的变化将会变得特别平缓，大大提高了冲击碰撞时的稳定性。

Description

三维负泊松比沙漏型结构及基于该结构的蜂窝组合结构

技术领域

本发明涉及材料结构技术领域，尤其是涉及一种三维负泊松比沙漏型结构及基于该结构的蜂窝组合结构。

背景技术

最早，泊松比概念是由著名法国数学家西蒙·泊松提出的，而负泊松比是1987年，Poderick Lakes在偶然实验期间发现了负泊松比效应，从此，负泊松比领域的研究开始发展起来。

近年来，由于负泊松比材料具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，特别是材料的物理机械性能、材料的抗缺口性能、材料的剪切模量、材料的回弹韧性以及抗断裂性能都有所提高。材料的泊松比会影响应力波的传输和反射，因此负泊松比材料应用广泛，比如制造紧固件或安全带、隔音材料等，在受外力时材料的横向膨胀可以抵消外力的作用，从而提高这些部件的抗负荷能力。负泊松比材料还可以应用到汽车各个部位，比如可用于汽车车体、负泊松比轮胎、汽车前端吸能盒、A、B、C柱填充结构等等，负泊松比结构材料还可以应用作防弹背心、护胫、护膝、护套等等，可以大大提高包裹性，提高舒适能力。

泊松比是指材料在单向受拉(受压)时，横向正应变与轴向正应变绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的常数。负泊松比效应，是指受拉伸(压缩)时，材料在弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时，材料在弹性范围内横向发生收缩的现象。负泊松比材料与传统正泊松比材料(自然界中)相比，负泊松比材料(人工制造)具有一些特殊的性质，比如材料的物理机械性能、材料的抗缺口性能、材料的剪切模量、材料的回弹韧性以及抗断裂性能都有所提高。因此负泊松比材料结构在抗冲击、耐变形破坏部件设计领域具有广泛的应用前景。

汽车安全十分重要，现有汽车设备安全领域的研究表明：前端吸能盒、A、B、C柱等部位在发生事故后，塑性变形可以吸收绝大部分车辆碰撞时产生的动能，因而有效的保护乘员以及货物的安全，可以有效降低交通事故中的人员伤亡和各种损失。现有的汽车吸能盒结构大部分是薄壁方、圆管﹐薄壁管作为吸能结构的优点之一是在满足普通吸能的要求下容易批量化生产。由于负泊松比材料的特殊性能，这些年来，许多具有负泊松比特性的结构接连问世，经典的就有：箭型负泊松比结构，星型负泊松比结构，手性结构等。负泊松比结构不仅可以从自然界中获取还可以通过人工合成得到。由于受到制造、合成技术的制约，目前常见的负泊松比结构种类还不是很多(尤其是三维负泊松比结构)，负泊松比结构在实际工程中的应用目前还不是很广泛，而且冲击碰撞时的稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维负泊松比沙漏型结构及基于该结构的蜂窝组合结构，能够抵消和缓冲外部载荷的压力，压力的变化将会变得特别平缓，大大提高了冲击碰撞时的稳定性。

本发明提供一种三维负泊松比沙漏型结构，包括交叉重合放置的内凹结构体，所述内凹结构体包括两条平行放置的顶杆和底杆，所述顶杆和底杆通过倾斜立杆连接，所述倾斜立杆包括互成夹角的第一立杆和第二立杆，所述第一立杆和第二立杆的交点之间通过中间水平杆连接，所述第一立杆和第二立杆均设有弯折处，所述弯折处上方的立杆为上斜杆，所述弯折处下方的立杆为下斜杆。

优选地，所述内凹结构体设置两个，两个所述内凹结构体垂直重合放置。

优选地，两个所述内凹结构体的高度和厚度均相等。

优选地，所述第一立杆和第二立杆上的弯折处的高度和厚度均相等。

优选地，所述第一立杆和所述第二立杆的长度相同。

优选地，所述上斜杆和所述下斜杆的长度相同。

一种基于所述的三维负泊松比沙漏型结构的蜂窝组合结构，包括多个所述三维负泊松比沙漏型结构组成，一个三维负泊松比沙漏型结构的顶杆和底杆的边缘面分别与相邻的三维负泊松比沙漏型结构的中间水平杆边缘面相连。

优选地，各个所述三维负泊松比沙漏型结构的大小相同。

一种所述的三维负泊松比沙漏型结构的蜂窝组合结构的组合方法，包括以下步骤：

S1：两个内凹结构体重合放置，其中一个内凹结构体沿直边中线方向旋转γ°，形成三维负泊松比沙漏型结构。

S2：将三维负泊松比沙漏型结构的一条顶杆边缘面与一个三维负泊松比沙漏型结构的一条中间水平杆边缘面相连，一个底杆边缘面与另一个三维负泊松比沙漏型结构的中间水平杆边缘面相连，根据上述结合方式，通过空间方向拓展进一步重复排列形成蜂窝结构。

优选地，所述γ°为90°。

有益效果：

(1)本发明的三维负泊松比沙漏型结构在受到外部载荷压力时，上斜杆根部顶着弯折处，下斜杆顶部顶着弯折处，让斜杆在弯折处互相向内拉扯，使三维负泊松比沙漏型结构在垂直于压力方向横向收缩变窄，使得轴面面积增加。蜂窝结构在冲击变形过程中，轴面面积增加能够抵消和缓冲外部载荷的压力，压力的变化将会变得特别平缓，大大提高了冲击碰撞时的稳定性。

(2)本发明的中间水平支撑杆位于三维负泊松比沙漏型结构的腰部，这种设计能够让结构发生变形时腰部具有更好的支撑性，同时减小内凹结构在压缩过程中腰部发生面内扭转的可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中三维负泊松比沙漏型的结构示意图；

图2是本发明中三维负泊松比沙漏型结构的组合过程示意图；

图3是本发明中三维负泊松比沙漏型尺寸标注示意图；

图4是本发明三维负泊松比沙漏型结构的外形示意图；

图5是本发明中三维负泊松比沙漏型结构的有限元变形形式示意图；

图6是本发明中三维负泊松比沙漏型结构在有限元软件中压缩仿真中所得的仿真云图过程示意图；

图7是本发明中组合蜂窝结构和三维负泊松比沙漏型结构的接合方式示意图；

图8是本发明中组合蜂窝结构的正视、俯视与左视图。

附图标记说明：1-顶杆、2-边缘面、3-上斜杆、4-弯折处、5-下斜杆、6-中间水平杆、7-中间水平杆边缘面、8-底杆。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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所述特征。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。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-2所示，本发明所述的三维负泊松比沙漏型结构，包括两个内凹结构体组成，内凹结构体包括两条平行放置的顶杆1和底杆8，顶杆1和底杆8通过倾斜立杆连接，倾斜立杆包括互成夹角的第一立杆和第二立杆，第一立杆和第二立杆的交点之间通过中间水平杆6连接，第一立杆和第二立杆均设有弯折处4，弯折处4上方的立杆为上斜杆3，弯折处4下方的立杆为下斜杆5。两个内凹结构体重合放置组成基本框架，其中一个内凹结构体沿直边中线方向旋转γ°。

如图3所示，三维负泊松比沙漏型结构的顶杆、底杆(AB、FH)的长为L1(mm)；上斜杆长(BC)均为L2(mm)；下斜杆长(KJ)均为L3(mm)；中间水平连接杆(DJ)长为L4(mm)；尖角所成锐角均为α(°)；下斜杆和水平中间杆的夹角均为β(°)。

如图3所示，三维负泊松比沙漏型结构的顶杆、底杆的宽度为t(mm)，且为了减小内凹处中间杆的应力集中，中间水平杆设计为宽为t(mm)的直边，为了让效果更好，立杆弯折处的宽度和厚度均为t(mm)，将截面沿轴向拉伸t(mm)获得三维负泊松比沙漏型结构体。

在建模软件中将内凹结构体进行组合可得本发明所提出的三维负泊松比沙漏型结构，组合过程见图2。

构造参数如下：L1＝118.67mm；L2＝31.25mm；L3＝32.89mm；L4＝24.33mm；α＝41.81°；β＝131.68°；γ＝90°；t＝2mm；且赋予的材料为铝合金。压缩变形云图见图6，其压缩变形情况见图5。

该结构在压缩(拉伸)过程中，顶部与底部的上斜杆3和下斜杆5挤压(拉扯)立杆弯折处4向内发生横向收缩，从而达到压缩中间变细，拉伸中间变粗的负泊松比特性。

实施例2

一种三维负泊松比沙漏型结构的蜂窝组合结构的组合方法，包括以下步骤：

S1：两个内凹结构体重合放置，其中一个内凹结构体沿直边中线方向旋转90°，形成三维负泊松比沙漏型结构。

S2：将三维负泊松比沙漏型结构的一条顶杆边缘面与一个三维负泊松比沙漏型结构的一条中间水平杆边缘面相连，一个底杆边缘面与另一个三维负泊松比沙漏型结构的中间水平杆边缘面相连，根据上述结合方式，通过空间方向拓展进一步重复排列形成蜂窝结构。

根据代表性体单元(RSM)的定义，这种蜂窝组合结构在压缩过程中，各个三维负泊松比结构之间相互关联，上一个结构的顶杆推动斜杆挤压立杆弯折处横向收缩的同时，中间水平杆内弯曲拉扯相邻三维负泊松比沙漏型结构的顶杆发生横向向内移动，这种运动特性依次传递下去便使得蜂窝组合结构整理也具有与三维负泊松比沙漏型结构元胞所相同的负泊松比特性。这种结构可置于汽车吸能盒内部充当夹芯结构，这比传统的薄壁管或在薄壁管中填充二维负泊松比蜂窝结构具有更好的吸能特性及抗冲击过程中具有更好的稳定性。在蜂窝组合结构中，局部单元具有多方向负泊松比特性，整体结构具有多方向负泊松比特性，这能够更好地利用负泊松比特性所带来的好处。

实施例3

一种三维负泊松比沙漏型结构的蜂窝组合结构，包括多个三维负泊松比沙漏型结构组成，一个三维负泊松比沙漏型结构的顶杆1和底杆8的边缘面2分别与相邻的三维负泊松比沙漏型结构的中间水平杆边缘面7相连。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种三维负泊松比沙漏型结构，其特征在于，包括交叉重合放置的内凹结构体，所述内凹结构体包括两条平行放置的顶杆和底杆，所述顶杆和底杆通过倾斜立杆连接，所述倾斜立杆包括互成夹角的第一立杆和第二立杆，所述第一立杆和第二立杆的交点之间通过中间水平杆连接，所述第一立杆和第二立杆均设有弯折处，所述弯折处上方的立杆为上斜杆，所述弯折处下方的立杆为下斜杆，所述第一立杆和第二立杆上的弯折处的高度和厚度均相等，所述上斜杆与顶杆形成的夹角为α，所述下斜杆与中间水平杆形成的夹角为β，α=41.81°，β=131.68°。

2.根据权利要求1所述的三维负泊松比沙漏型结构，其特征在于，所述内凹结构体设置两个，两个所述内凹结构体垂直重合放置。

3.根据权利要求2所述的三维负泊松比沙漏型结构，其特征在于，两个所述内凹结构体的高度和厚度均相等。

4.根据权利要求1所述的三维负泊松比沙漏型结构，其特征在于，所述第一立杆和所述第二立杆的长度相同。

5.根据权利要求1所述的三维负泊松比沙漏型结构，其特征在于，所述上斜杆和所述下斜杆的长度相同。

6.一种基于权利要求1-5任一所述的三维负泊松比沙漏型结构的蜂窝组合结构，其特征在于，包括多个所述三维负泊松比沙漏型结构，一个三维负泊松比沙漏型结构的顶杆和底杆的边缘面分别与相邻的三维负泊松比沙漏型结构的中间水平杆边缘面相连。

7.根据权利要求6所述的三维负泊松比沙漏型结构的蜂窝组合结构，其特征在于，各个所述三维负泊松比沙漏型结构的大小相同。

8.一种权利要求7所述的三维负泊松比沙漏型结构的蜂窝组合结构的组合方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：两个内凹结构体重合放置，其中一个内凹结构体沿直边中线方向旋转γ°，形成三维负泊松比沙漏型结构；

S2：将三维负泊松比沙漏型结构的一条顶杆边缘面与一个三维负泊松比沙漏型结构的一条中间水平杆边缘面相连，一个底杆边缘面与另一个三维负泊松比沙漏型结构的中间水平杆边缘面相连，通过空间方向拓展进一步重复排列形成蜂窝结构。

9.根据权利要求8所述的三维负泊松比沙漏型结构的蜂窝组合结构的组合方法，其特征在于，所述γ°为90°。