[发明专利]一种拉胀多胞构型及吸能结构部件

说明书

本发明公开了一种拉胀多胞构型及吸能结构部件，包括多个单胞结构，每个单胞是由两个典型的内凹特征结构和两个箭头型结构通过巧妙拼接得到的；内凹特征结构的左右两边内凹角顶点的位置分别连接着两个箭头型特征结构，这两个箭头型特征结构的内凹角顶点位置又连接着另外两个内凹特征结构的半个横杆，共同构成一个拉胀多胞构型的单胞结构；然后该单胞通过平面阵列得到二维拉胀多胞构型。该多胞材料具有负泊松比性质，其在受压时会收缩，从而使受压区域局部致密化，这种独特的变形特征使得其具有更强的抗压痕性能和抗冲击性能。此外，通过改变杆的长细比和倾斜角度，调节其弹性性能和抗压缩强度。

技术领域

本发明涉及一种拉胀构型，特别涉及一种拉胀多胞构型及吸能结构部件。

背景技术

与传统的正泊松比材料相比，负泊松比材料在垂直于受压方向会产生收缩，这就意味着加强的几何效应，受压区域的颗粒或纤维会产生局部致密化，使材料具有更高的压缩阻抗、抗压痕能力、抗剪能力和压缩强度，在包装和减震缓冲设计中有着极大的应用潜力。研究表明，负泊松比特性还能产生较高的断裂韧度和声阻尼等。另外，负泊松比使得负泊松比蜂窝夹芯在面外受弯时能产生半球状变形，可以用于制作弯曲层合壳，如用于航空航天中的火箭或飞机的整流罩等。因此，从基础研究和实际应用的角度，研究这些非传统材料显得尤为重要，尤其在医药、航空和国防工业，比如用于航空领域热防护的热解石墨、航空发动机的单晶Ni₃Al等。

拉胀材料有着很多优异的性能，然而拉胀材料在某些方面也有局限。由于多数的拉胀材料需要大量的孔隙，拉胀材料的刚度比组成其结构的材料刚度低很多，这也使得拉胀材料在工程构件中的应用受到限制。拉胀结构的稳定性和承载能力都还没有达到期望的水平，怎样在保证拉胀性能的同时提高结构稳定性和承载能力成为研究的一个热点。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服上述现有多胞构型的缺点和不足，提出一种拉胀多胞构型及吸能结构部件，具有更强的吸能特性。此外，其可控的杨氏模量和泊松比等弹性性能，以及抗压缩强度和冲击吸能特性，可根据不同的应用要求进行设计；可以通过3D打印技术快速制备，也可以通过传统工艺进行批量制备。与经典内凹构型相比，该构型能吸收更多的能量。

本发明主要通过下述技术方案实现：一种拉胀多胞构型，由多个单胞排列构成，每个单胞由两个内凹特征结构和两个箭头型结构拼接构成；所述两个箭头型结构对称地连接在最中间内凹特征结构的左右两个内凹角的顶点处(点G和点H)；所述两个箭头型结构内凹角的顶点处(点F和点I)又分别连接着另外两个内凹特征结构的半个横杆；

所述内凹特征结构呈左右对称和上下对称，由对称性可知，内凹特征结构完整单胞的四分之一依次通过在x轴和y轴对称排布组成一个完整的内凹特征结构完整单胞，内凹特征结构完整单胞的四分之一由一根斜杆两端分别连接半根水平横杆构成；内凹特征结构可由水平横杆的长度为h、倾斜杆的长度为l以及水平横杆与倾斜杆之间的夹角θ唯一确定，水平横杆和倾斜杆之间的夹角θ小于90°；

所述箭头型结构呈上下对称，所述箭头型结构由两根关于x轴镜像对称并一端相连的长杆和两根关于x轴镜像对称并一端相连的短杆构成，长杆的另一端连接着短杆的另一端，所述箭头型结构由较短的倾斜杆的长度为l、较长的斜杆与x轴的夹角α和较短的斜杆与x轴的夹角θ唯一确定，α和θ均小于90°，并且α总是小于θ。

所述拼接内凹特征结构和箭头型结构时，其中内凹特征结构倾斜杆的长度和其中箭头型结构较短倾斜杆的长度相同；单胞中的内凹特征结构的水平横杆和倾斜杆之间的夹角和其中箭头型结构较短倾斜杆与x轴的夹角相等；

所述多个单胞在水平方向和竖直方向呈阵列的排列方式，从而得到拉胀多胞构型。

所述阵列的排列方式当为在平面内周期性排布时，得到二维拉胀多胞新构型。