[发明专利]一种负泊松比结构部件

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有负泊松比（NPR）结构部件，尤其是使用该NPR结构部件所制成的衬套、颠簸缓冲块，（车体和引擎）的悬挂、弹簧、盘簧等装置。

背景技术

泊松比（v）,是根据西莫恩·泊松（Simeon Poisson）命名的，它是指相对收缩应变，或者横向应变（与所施加的载荷相垂直）除以相对延长应变或轴向应变（在施加载荷的方向上）所得的比例的负值。一些材料具有负泊松比（NPR结构）。如果这种材料在一个方向上被拉伸（或者压缩），其在垂直方向上会变粗（或变细）。

NPR结构在施加载荷的情况下的反应是不同的。图1展示了一种通过拓扑优化过程获得的反应收缩机制。该结构的特点在于当在一个方向上被压缩时，它会在两个方向上同时收缩。图1展示了当该结构的顶部承受压缩载荷时，更多的材料聚集在载荷之下使得结构的部分区域变得更刚更强来抵抗载荷。

图2展示了具有当在一个方向上被压缩时，会沿所有方向收缩的特征的负泊松比（NPR）结构。发明者已经研发了一种非线性有限元方法以及一种多步骤的线性化分析法，用来预测该材料的非线性行为。对于任何大幅度载荷，考虑到几何非线性效应即可以计算出材料的有效特性，例如杨氏模量、泊松比、材料的密度以及承载效率。

图1及图2中所示的二维结构包括了多个巢式的“V型”单元件，每个单元件包括了一对界定了宽度l的端点A和B，第一对相连直线或弯曲构件202，具有恒定或可变的横截面，连接端点A和B，并在端点C相交，从而形成第一个界定了拉伸材料的V形，第二对直线或弯曲构件204，具有恒定或可变的横截面，连接端点A和B，并在端点D相交，从而形成第二个界定了“支撑骨”材料的V形。之后多个所述单元件连接成行从而形成一个单元带，其中一个单元件的端点B与另一个相邻单元件的端点A相连接。多个所述单元件进一步地纵向叠加，其中一个单元件的端点D与另一个相邻单元件的端点C相连接。

图3A展示了图2中具有角度θ₁=60°,θ₂=120°的结构，图3B展示了图2中带有角度θ₁=30°,θ₂=60°的结构。图3还展示了预测的变形后的形状以及两个结构的材料有效特性，其中字母ν表示有效泊松比而字母E表示有效杨氏模量。在图3A和3B中，虚线表示未变形的形状，实线表示变形后的形状。将图3A和3B进行对比后可以看出这两个结构在同样的载荷条件下的变形形状是非常不同的。有效泊松比从结构3A的ν=-0.96变成了结构3B的ν=-7.4，而有效杨氏模量从结构3A的E=1.4e3MPa变成了结构3B的E=2.7e3MPa。这表明第二种结构3B更适用于需要较大的NPR绝对值和较高的杨氏模量的情况。

图4展示了对NPR结构施加局部压力时的情况。虚线表示该结构的原始构造，实线则展示了模拟出的变形后的结构。如图所示，基于负泊松比的效果，当施加力时，四周的材料会集中到局部区域。因此该材料在局部区域变得更刚更强。

由于其独特的特性，NPR结构材料引起了很大的兴趣。当沿垂直方向压缩时，不同于传统的材料，NPR结构材料可能会收缩。该特性的一个结果就是，所述材料可以在受压缩载荷时可将其自身集中来更好地抵御载荷。因此，随着载荷的幅度增加，NPR结构材料也会变得更硬更强。NPR结构已经被发现可以增强材料/结构的特性，包括加强耐热/冲击性、断裂韧性、抗压陷性以及剪切模量。

在车辆中和其它地方，还有很多其它的能量吸收和/或振动阻尼装置，包括衬套和缓冲块。衬套尤其重要因为它们广泛应用于底盘和悬挂系统中。图5A展示了衬套在车辆悬挂系统中的典型位置，其中，衬套的典型位置由标号1、2、3、4、5、6、7、8、9、10标出。图5B展示了衬套在车辆底盘中的典型位置，其中，衬套的典型位置由标号51、52、53、54、55、56、57、58、59、510、511、512、513、514、515标出。

衬套具有诸多优点：其将各个部件柔性连接；能够对高频冲击和道路颠簸进行隔离；能够抑制通过衬套传输的振动能量并降低噪音。现有的衬套具有以下缺点：它可能会影响车辆的操控和转向性能，失去曲面控制，前挠度转向，后挠度和扭矩转向，并且可能会影响到动态模拟的精度。