一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元及结构

1.本发明涉及负泊松比结构领域，尤其是涉及一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元及结构。


背景技术：

2.负泊松比是指拉胀材料，受拉时材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压时，材料的横向反而发生收缩。且其具有高比强度、高比吸能等优良的力学性能。
3.目前负泊松比材料以高阻尼、高能量吸收率、消声、轻量化等诸多优点广泛应用与诸多领域，如航空、交通、国防、建筑等。wang研究了内凹六角形蜂窝结构，应用于汽车保险杠，将内凹蜂窝拉胀材料按照周期性排布组成新型汽车保险杠，研究表明，新型保险杠可以更好的保护路人的下肢，缓解交通事故的严重程度。choi研究了负泊松比材料膨胀螺丝，由于负泊松比拉胀效应，最终膨胀螺丝比普通螺丝紧固更容易，拔出时，刚好相反，负泊松比膨胀螺丝相比于普通螺丝更难拔出，不易松动，这在国防领域防护装备中有广泛的应用前景。
4.目前对于负泊松比结构的应用还比较局限，主要是因为负泊松比结构选型困难，并且其复杂的内部结构通过传统加工方法难以实现，加工难度较高，不利于对负泊松比结构的推广使用。另外，传统的普通内凹结构，因其内部空间大，承受大载荷时变形较快，承载能力有限。因此有必要对结构胞元进行重新设计增强其承载能力和吸能性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元及结构，填充后的四韧带反手性结构相较于填充后的普通内凹结构，在保证其具有负泊松比效应的同时，能量吸收能力大大提高，为了解决负泊松比结构加工困难的缺点，本发明采用3d打印技术来实现其复杂的内部结构形式。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元及结构，包括第一结构单元和设置于第一结构单元的下方的第二结构单元，所述第一结构单元和第二结构单元对称设置且结构相同，所述第一结构单元的两端分别设置有第一圆环和第二圆环，所述第二结构单元的两端分别设置有第三圆环和第四圆环；
7.所述第一圆环和第二圆环之间通过设置于其上端的第一肋板连接，所述第三圆环和第四圆环之间通过设置于其下端的第二肋板连接，所述第一圆环和第三圆环之间通过设置于其右侧的第三肋板连接，所述第二圆环和第四圆环之间通过设置于其左侧的第四肋板连接；
8.所述第一圆环和第三圆环的左侧均设置有第五肋板，所述第二圆环和第四圆环的右侧均设置有第六肋板，所述第五肋板和第六肋板共线，所述第一圆环和第二圆环的下端均设置有第七肋板，所述第三圆环和第四圆环的上端均设置有第八肋板，所述第七肋板和第八肋板共线；
9.所述第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环、第一肋板、第二肋板、第三肋板、第四肋板、第五肋板、第六肋板、第七肋板、第八肋板之间的空隙设置有材料相同的填充物。
10.优选的，所述第一肋板、第二肋板、第五肋板和第六肋板平行，所述第三肋板、第四肋板、第七肋板和第八肋板平行，所述第一肋板和第三肋板垂直。
11.优选的，所述第一肋板、第二肋板、第三肋板、第四肋板、第五肋板、第六肋板、第七肋板、第八肋板的第一壁厚都相等，所述第一壁厚为t，所述第一圆环、第二圆环、第三圆环和第四圆环的第二壁厚都相等，所述第二壁厚为r，所述第一圆环和第二圆环之间的中心距、第一圆环和第三圆环之间的中心距、第四圆环和第二圆环之间的中心距、第四圆环和第三圆环之间的中心距均相等，所述中心距为l。
12.优选的，所述l/t的范围为8-17，所述l/r的范围为3-5。
13.优选的，所述第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环、第一肋板、第二肋板、第三肋板、第四肋板、第五肋板、第六肋板、第七肋板、第八肋板可选用的结构材料相同。
14.优选的，所述结构材料为聚乳酸cr-pla、钛合金、铝合金、尼龙或者树脂材料中的一种。
15.优选的，所述填充物为聚氨酯泡沫、泡沫混凝土的一种。
16.优选的，该具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比结构通过如权利要求1-7中任一项所述的一种基于四韧带反手性负泊松比胞元阵列而成。
17.优选的，每一列中，相邻的所述胞元之间通过第七肋板、第八肋板分别连接阵列而成；每一行中，相邻的所述胞元之间通过第五肋板、第六肋板分别连接阵列而成。
18.优选的，相邻的所述胞元之间的空隙的填充物为聚氨酯泡沫、泡沫混凝土的一种。
19.因此，本发明采用上述一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元及结构其技术效果如下：
20.(1)填充后的四韧带反手性结构相较于填充后的普通内凹结构，在保证其具有负泊松比效应的同时，能量吸收能力大大提高.
21.(2)为了解决负泊松比结构加工困难的缺点，本发明采用3d打印技术来实现其复杂的内部结构形式。
22.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
23.图1是四韧带反手性负泊松比胞元(atc)的结构示意图；
24.图2是内凹结构胞元(rs)的结构示意图；
25.图3是3d打印四韧带反手性负泊松比吸能结构填充后的立体示意图；
26.图4是3d打印内凹结构的立体示意图；
27.图5是具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比结构的平面示意图；
28.图6是内凹结构的平面示意图；
29.图7是具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比结构的吸能变形图；
30.图8是力位移关系曲线；
31.图9是应力应变关系曲线；
32.图10是能量吸收曲线。
33.附图标记
34.1、第一结构单元；2、第二结构单元；3、第一圆环；4、第二圆环；5、第三圆环；6、第四圆环；7、第一肋板；8、第二肋板；9、第三肋板；10、第四肋板；11、第五肋板；12、第六肋板；13、第七肋板；14、第八肋板。
具体实施方式
35.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
36.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
37.实施例一
38.泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的比值。几乎所有的材料和结构其泊松比都是正值，比如尼龙约为0.28，普通钢材约为0.3，混凝土约为0.167。而负泊松比是指拉胀材料，受拉时材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压时，材料的横向反而发生收缩。且其具有高比强度、高比吸能等优良的力学性能，利用结构这一特性可以将其应用到具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比结构中，对结构起到保护作用。
39.一、结构建模
40.本实施例中的结构是由3d打印而成的一种负比松比结构，并在其中填充聚氨酯泡沫，利用solidworks软件进行建模。由于本发明的内部结构形式复杂，采用3d打印技术来加工，解决了负泊松比结构加工困难的缺点，降低加工难度。
41.如图所示，本发明提供了一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元及结构，包括第一结构单元1和设置于第一结构单元1的下方的第二结构单元2，第一结构单元1和第二结构单元2对称设置且结构相同，第一结构单元1的两端分别设置有第一圆环3和第二圆环4，第二结构单元2的两端分别设置有第三圆环5和第四圆环6；
42.第一圆环3和第二圆环4之间通过设置于其上端的第一肋板7连接，第三圆环5和第四圆环6之间通过设置于其下端的第二肋板8连接，第一圆环3和第三圆环5之间通过设置于其右侧的第三肋板9连接，第二圆环4和第四圆环6之间通过设置于其左侧的第四肋板10连接；
43.第一圆环3和第三圆环5的左侧均设置有第五肋板11，第二圆环4和第四圆环6的右侧均设置有第六肋板12，第五肋板11和第六肋板12共线，第一圆环3和第二圆环4的下端均设置有第七肋板13，第三圆环5和第四圆环6的上端均设置有第八肋板14，第七肋板13和第八肋板14共线。
44.第一肋7板、第二肋板8、第五肋板11和第六肋板12平行，第三肋板9、第四肋板10、第七肋板13和第八肋板14平行，第一肋板7和第三肋板9垂直。
45.第一肋板7、第二肋板8、第三肋板9、第四肋板10、第五肋板11、第六肋板12、第七肋板13、第八肋板14的第一壁厚都相等，第一壁厚为t，第一圆环3、第二圆环4、第三圆环5和第四圆环6的第二壁厚都相等，第二壁厚为r，第一圆环3和第二圆环4之间的中心距、第一圆环3和第三圆环5之间的中心距、第四圆环6和第二圆环4之间的中心距、第四圆环6和第三圆环5之间的中心距均相等，中心距为l。
46.l/t的范围为8-17，l/r的范围为3-5。
47.第一圆环3、第二圆环4、第三圆环5、第四圆环6、第一肋板7、第二肋板8、第三肋板9、第四肋板10、第五肋板11、第六肋板12、第七肋板13、第八肋板14可选用的结构材料相同；第一圆环3、第二圆环4、第三圆环5、第四圆环6、第一肋板7、第二肋板8、第三肋板9、第四肋板10、第五肋板11、第六肋板12、第七肋板13、第八肋板14之间的空隙设置有材料相同的填充物。
48.该具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比结构通过填充后的四韧带反手性负泊松比胞元阵列而成。
49.每一列中，相邻的胞元之间通过第七肋板13、第八肋板14分别连接阵列而成；每一行中，相邻的胞元之间通过第五肋板11、第六肋板12分别连接阵列而成。
50.相邻的所述胞元之间的空隙的填充物为聚氨酯泡沫、泡沫混凝土的一种。
51.二、选材打印
52.1.选材
53.结构材料为聚乳酸cr-pla、钛合金、铝合金、尼龙或者树脂材料中的一种。填充物为聚氨酯泡沫、泡沫混凝土的一种。对于填充物材料根据具体结构材料的不同可选择不同的材料，但要保证其具有一定的可压缩性，保证填充后结构仍然具有负泊松比效应。例如结构材料选择钛合金、铝合金，则填充材料可以选择泡沫混凝土。
54.本实施例中选用的结构材料为聚乳酸cr-pla，该材料是属于可再生可降解的环保材料，通常使用可再生的植物资源所提出来的淀粉作为原料。并且该材料具有良好的机械性能和物理性能，如抗拉强度、断裂伸长率等性能均表现良好。
55.本实施例中选用聚氨酯泡沫作为填充材料，该材料可以很好地填充结构，并与结构之间形成粘结力，且该材料的可压缩性强，保证填充后结构仍然具有负泊松比效应。在被压缩后能够为胞壁提供一定的支撑力，进而提高结构的承载能力和能量吸收能力。
56.2.打印
57.利用切切片软件将模型片后，将文件导入3d打印机中进行打印，打印温度190-230℃，热床温度60℃以下，打印速度40-120mm/s。
58.最后，将聚氨酯泡沫填充到打印完成的四韧带反手性负泊松比结构中。
59.三、对比实验
60.1.两种负泊松比结构的准静态压缩试验
61.通过对两种负泊松比蜂窝结构的孔隙进行填充提高结构的强度，并研究填充孔隙对负泊松比蜂窝结构泊松比的影响，对比两种结构填充后的能量吸收能力，四韧带反手性负泊松比结构(atc)，内凹结构(rs)。
62.表1两种胞元模型几何参数
[0063][0064][0065]
采用创想三维cr-5pro3d打印机制备所有试样，3d打印耗材采用cr-pla，cr-pla的材料性能见表2。采用聚氨酯泡沫作为填充材料，填充前将a胶和b胶按重量比为1：1的比例混合均匀，将其搅拌均匀使其发泡，在其发泡过程中将结构按入其中，使结构空隙完全被聚氨酯泡沫填充，待聚氨酯直泡沫发泡完全固化后脱模并去除试件表面多余的聚氨酯泡沫。
[0066]
采用mts exceed e45电子万能试验机对两种填充蜂窝结构试件(f-rs、f-atc)进行准静态压缩试验。综合考虑时间成本以及对结果的影响程度，采用位移控制加载方式，加载速度为2mm/min，采集压缩破坏过程中的力-位移数据，绘制应力-应变曲线和能量吸收曲线。
[0067]
表2cr-pla的材料性能
[0068]
材料抗拉强度(mpa)杨氏模量(mpa)断裂伸长率(％)密度(g/cm3)c-uv9400e512200111.24
[0069]
2.数据处理
[0070]
(1)泊松比
[0071]
泊松比采用非接触式引伸计dic-2d进行测量，分别得出试件的横向应变和纵向应变，利用下面公式求出泊松比。
[0072][0073]
其中，ε
x
是垂直于轴向压缩方向的横向应变，εy是轴向压缩方向的纵向应变。
[0074]
(2)能量吸收能力
[0075]
蜂窝结构能量吸收能力的评价指标有初始峰值应力σ
max
、总吸能ea、比吸能e
sa
、压实应变(εd)等。
[0076]
初始峰值应力(σ
max
)是初始峰值力(f
max
)对应的压缩应力值。
[0077]
总吸能ea由力-位移曲线积分获得，其中，x为任意时刻位移值；f为与位移值对应的载荷。
[0078][0079]
比吸能e
sa
为结构总吸能与质量的比值：
[0080][0081]
压实应变εd一般由蜂窝结构的能量吸收效率ef确定，是计算蜂窝结构能量吸收能力的重要参数。式(4)中εa为某一时刻的应变值，σa为与应变值对应的应力值，压实应变对应能量吸收效率的最大值，可由式(5)计算得出。
[0082]
[0083][0084]
3.测试结果及分析
[0085]
如图7、图8、图9和图10所示，其结果分析如下：
[0086]
(1)当填充后的四韧带反手性结构受力后，圆环发生运转，导致肋板的中部会出现向中间凹陷的变形，但是经过层层变形，其总体变形相对受力前的变形相对较小，从而反映出填充后的四韧带反手性结构具有良好的吸能的技术效果。
[0087]
(2)两种结构在压缩过程中均经历了弹性阶段、平台阶段和致密化阶段。
[0088]
(3)结构在压缩过程中向内收缩呈x状，体现出了其负泊松比效应。
[0089]
(4)其中四韧带反手性结构的承载能力明显高于内凹结构，四韧带反手性结构相较于内凹结构的吸能效果提高约38％。
[0090]
(5)四韧带反手性结构在平台阶段的能量吸收远高于内凹结构。
[0091]
填充物支撑四韧带反手性负泊松比吸能结构，将结构连为一体，提升了结构的承载能力，使得屈服强度、平台应力也都得以提高。在大变形条件下，四韧带反手性负泊松比吸能结构因负泊松比效应而向内收缩，使填充物同时在水平方向和竖直方向受压缩，填充物填充四韧带反手性结构的比吸能率也得以大幅提升。
[0092]
因此，本发明采用上述一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元及结构，填充后的四韧带反手性结构相较于填充后的普通内凹结构，在保证其具有负泊松比效应的同时，能量吸收能力大大提高，为了解决负泊松比结构加工困难的缺点，本发明采用3d打印技术来实现其复杂的内部结构形式。
[0093]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元，其特征在于：包括第一结构单元和设置于第一结构单元的下方的第二结构单元，所述第一结构单元和第二结构单元对称设置且结构相同，所述第一结构单元的两端分别设置有第一圆环和第二圆环，所述第二结构单元的两端分别设置有第三圆环和第四圆环；所述第一圆环和第二圆环之间通过设置于其上端的第一肋板连接，所述第三圆环和第四圆环之间通过设置于其下端的第二肋板连接，所述第一圆环和第三圆环之间通过设置于其右侧的第三肋板连接，所述第二圆环和第四圆环之间通过设置于其左侧的第四肋板连接；所述第一圆环和第三圆环的左侧均设置有第五肋板，所述第二圆环和第四圆环的右侧均设置有第六肋板，所述第五肋板和第六肋板共线，所述第一圆环和第二圆环的下端均设置有第七肋板，所述第三圆环和第四圆环的上端均设置有第八肋板，所述第七肋板和第八肋板共线；所述第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环、第一肋板、第二肋板、第三肋板、第四肋板、第五肋板、第六肋板、第七肋板、第八肋板之间的空隙设置有材料相同的填充物。2.根据权利要求1所述的一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元，其特征在于：所述第一肋板、第二肋板、第五肋板和第六肋板平行，所述第三肋板、第四肋板、第七肋板和第八肋板平行，所述第一肋板和第三肋板垂直。3.根据权利要求1所述的一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元，其特征在于：所述第一肋板、第二肋板、第三肋板、第四肋板、第五肋板、第六肋板、第七肋板、第八肋板的第一壁厚都相等，所述第一壁厚为t，所述第一圆环、第二圆环、第三圆环和第四圆环的第二壁厚都相等，所述第二壁厚为r，所述第一圆环和第二圆环之间的中心距、第一圆环和第三圆环之间的中心距、第四圆环和第二圆环之间的中心距、第四圆环和第三圆环之间的中心距均相等，所述中心距为l。4.根据权利要求3所述的一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元，其特征在于：所述l/t的范围为8-17，所述l/r的范围为3-5。5.根据权利要求1所述的一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元，其特征在于：所述第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环、第一肋板、第二肋板、第三肋板、第四肋板、第五肋板、第六肋板、第七肋板、第八肋板可选用的结构材料相同。6.根据权利要求5所述的一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元，其特征在于：所述结构材料为聚乳酸cr-pla、钛合金、铝合金、尼龙或者树脂材料中的一种。7.根据权利要求1所述的一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元，其特征在于：所述填充物为聚氨酯泡沫、泡沫混凝土的一种。8.一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比结构，其特征在于：该具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比结构通过如权利要求1-7中任一项所述的一种吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元阵列而成。9.根据权利要求8所述的一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比结构，其特征在于：每一列中，相邻的所述胞元之间通过第七肋板、第八肋板分别连接阵列而成；每一行中，相邻的所述胞元之间通过第五肋板、第六肋板分别连接阵列而成。10.根据权利要求8所述的一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比结构，其特征在
于：相邻的所述胞元之间的空隙的填充物为聚氨酯泡沫、泡沫混凝土的一种。

技术总结
本发明公开了一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元及结构，包括第一结构单元和设置于第一结构单元的下方的第二结构单元，所述第一结构单元和第二结构单元对称设置且结构相同，所述第一结构单元的两端分别设置有第一圆环和第二圆环，所述第二结构单元的两端分别设置有第三圆环和第四圆环，并在结构空隙中进行填充。本发明采用上述的一种具有吸能特性的四韧带反手性负泊松比胞元及结构，填充后的四韧带反手性结构相较于填充后的普通内凹结构，在保证其具有负泊松比效应的同时，能量吸收能力大大提高，为了解决负泊松比结构加工困难的缺点，本发明采用3D打印技术来实现其复杂的内部结构形式。杂的内部结构形式。杂的内部结构形式。


技术研发人员：石南南 张伟晨 刘晗 李振宝 纪金豹
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/7/20