一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构制造技术

本发明专利技术涉及一种内凹型负泊松比超材料胞元，包括内凹六边形结构，内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁；两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连。还涉及上述胞元的蜂窝结构。支撑胞壁使得在胞元变形过程中会产生更多的塑性应变，提升了抗冲击性能。蜂窝结构刚度提高且维持较好的负泊松比特性，冲击载荷下结构的被动响应快。冲击载荷下结构的被动响应快。冲击载荷下结构的被动响应快。

【技术实现步骤摘要】
一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构


[0001]本专利技术涉及机械超材料
，尤其是一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构。

技术介绍

[0002]超材料是一种自然界中没有的、利用天然材料进行人工设计的特殊结构，其通常由一特定的胞元周期排列而成。由于超材料的性质很大程度上决定于其基本胞元，因此通过对胞元结构的创新设计可以制造出各种性能优异的超材料。
[0003]负泊松比超材料是一种泊松比值为负的人造结构，与常规材料在受到轴向压缩时横向膨胀相反，负泊松比材料在受到轴向压缩表现为横向收缩。这种反常的力学性质使得结构具有更高的抗冲击、抗剪切与能量吸收性能。内凹六边形结构是一种典型的负泊松比超材料，其通过两侧斜边在压缩时向内弯曲实现负泊松比效应。
[0004]现有研究表明内凹六边形结构具有优异的能量吸收性能。但其存在如下问题：
[0005]现有技术中，内凹六边形因其内部空隙率较大，承受大载荷时变形较快，承载能力有限。因此有必要对其进一步的改善以提高其抗冲击性能。因此，需要对传统内凹六边形胞元进行创新设计，以在保持其负泊松比特性的同时，增强其承载能力和吸能性能。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构，解决了传统内凹六边形超材料胞元承载能力不足的问题。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种内凹型负泊松比超材料胞元，包括内凹六边形结构，所述内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁；
[0009]所述两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，所述两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；
[0010]所述内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，所述支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成所述内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连。
[0011]进一步技术方案为：
[0012]所述支撑胞壁为圆弧形，所述圆弧的半径为R，其满足以下条件：
[0013][0014]其中，H为两个水平胞壁沿竖直方向的间距，即胞元的高度；A为倾斜胞壁与水平胞壁之间的夹角，45
°
＜A＜90
°
。
[0015]所述圆弧的半径R为无限大时，所述支撑胞壁由圆弧形变为直线形，沿竖直方向连接于两个水平胞壁之间。
[0016]圆弧形的左右两个支撑胞壁的圆心分别位于内凹六边形结构外部左右两侧。
[0017]内凹六边形结构具有统一的壁厚t1，两个支撑胞壁具有统一的壁厚t2，t1等于或不等于t2。
[0018]各胞壁的截面均为矩形。
[0019]一种内凹型负泊松比超材料蜂窝结构，通过所述的内凹型负泊松比超材料胞元在平面内周期性排列，排列规则为：竖直方向上，上下两胞元共用水平胞壁；水平方向上，相邻两个胞元之间在竖直方向的间距为胞元高度的1/2，并通过倾斜胞壁对应相接。
[0020]本专利技术的有益效果如下：
[0021]支撑胞壁的设计在胞元变形过程中会产生更多的塑性应变，在承受冲击载荷时会吸收更多能量，提升了抗冲击性能。同时提高了蜂窝结构的刚度，且较好地保持了整体负泊松比特性，即提高结构刚度的同时保证负泊松比不降低、冲击载荷下结构的被动响应快。
[0022]支撑胞壁具有较大的可调半径范围，增强了结构的可调节能力，以适应不同的工程实际需要。
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例胞元结构的平面示意图。
[0024]图2为本专利技术实施例胞元结构的参数示意图。
[0025]图3为本专利技术实施例胞元结构的支撑胞壁为直线形结构的示意图。
[0026]图4为本专利技术实施例蜂窝结构的示意图。
[0027]图5为本专利技术实施例蜂窝结构受垂向载荷时的变形状态示意图。
[0028]图6为本专利技术实施例蜂窝结构受载变形模式图。
[0029]图7为内六边形蜂窝结构受载变形模式图。
[0030]图8为本专利技术实施例的蜂窝结构和内凹六边形蜂窝结构受载时的力
‑
位移曲线图。
[0031]图中：1、水平胞壁一；2、水平胞壁二；3、倾斜胞壁一；4、倾斜胞壁二；5、倾斜胞壁三；6、倾斜胞壁四；7、支撑胞壁一；8、支撑胞壁二。
具体实施方式
[0032]以下结合附图说明本专利技术的具体实施方式。
[0033]本申请的一种内凹型负泊松比超材料胞元，包括内凹六边形结构和设置在内凹六边形内部的支撑胞壁；
[0034]内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁，两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；
[0035]内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连。
[0036]如图1所示，两个水平胞壁和四个倾斜胞壁分别为：水平胞壁一1、水平胞壁二2、倾斜胞壁一3、倾斜胞壁二4、倾斜胞壁三5、倾斜胞壁四6；两个支撑胞壁分别为：支撑胞壁一7、支撑胞壁二8。
[0037]其中，倾斜胞壁一3、倾斜胞壁二4一端相连，另一端分别与水平胞壁一1、水平胞壁二2的左端连接，倾斜胞壁一3、倾斜胞壁二4形成内凹折弯结构。
[0038]同样的，倾斜胞壁三5、倾斜胞壁四6一端相连也形成内凹折弯结构，另一端分别与水平胞壁一1、水平胞壁二2的右端连接。
[0039]支撑胞壁一7、支撑胞壁二8的上下两端分别与水平胞壁一1、水平胞壁二2相连，且连接点不与水平胞壁的端点重合。
[0040]具体的，支撑胞壁为圆弧形，圆弧的半径为R，其满足以下条件：
[0041][0042]如图2所示，上式中，H为两个水平胞壁沿竖直方向的间距，即胞元的高度；A为倾斜胞壁与水平胞壁之间的夹角，45
°
＜A＜90
°
。四个倾斜胞壁与水平胞壁形成的内角A相等，且都小于90度，使水平胞壁在受压时，倾斜胞壁向内弯曲。
[0043]上式所限定的支撑胞壁的半径决定了在空间当中，支撑胞壁与水平胞壁之间的交点有且只有一个。
[0044]支撑胞壁一7、支撑胞壁二8的圆心分别位于内凹六边形结构外部的左、右两侧，以保证圆弧在受压时向内弯曲。
[0045]倾斜胞壁的长度为L由高度H与角度A共同决定，
[0046]如图2所示，内凹六边形结构具有统一的壁厚t1，两个支撑胞壁具有统一的壁厚t2，t1等于或不等于t2。
[0047]优选的，各胞壁的截面(外侧面)均为矩形，宽度为b，b的取值范围可根据实际工程应用的需要进行调整和确定。
[0048]作为一种实施形式，圆弧的半径R为无限大时，支撑胞壁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内凹型负泊松比超材料胞元，其特征在于，包括内凹六边形结构，所述内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁；所述两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，所述两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；所述内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，所述支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成所述内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连。2.根据权利要求1所述的内凹型负泊松比超材料胞元，其特征在于，所述支撑胞壁为圆弧形，所述圆弧的半径为R，其满足以下条件：其中，H为两个水平胞壁沿竖直方向的间距，即胞元的高度；A为倾斜胞壁与水平胞壁之间的夹角，45
°
＜A＜90
°
。3.根据权利要求2所述的内凹型负泊松比超材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙蓓蓓，周阳，刘彦豪，潘怡，何家豪，王萌，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：