[发明专利]一种复合型负刚度吸能蜂窝结构及其制备方法

说明书

一种复合型负刚度吸能蜂窝结构及其制备方法，它涉及一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，本发明要解决现有负刚度结构可重用次数低，强度低，吸能效果差的问题。本发明将复合材料的设计理念用于负刚度结构的设计，利用负刚度结构变形过程中各部分受力特征不同，应力分布不均匀的特点，采用软材料和硬材料结合的两种材料来构建负刚度结构，在保证高次可重复利用的基础上以达到减重并提高结构力学性能的目的。本发明主要通过增材制造技术，如选择性激光烧结技术(SLS)、熔融沉积技术(FDM)、选择性激光熔融技术(SLM)等完成复合型负刚度蜂窝结构的制备。本发明为改善超材料的能量吸收提供了新的方向。本发明应用于超材料领域。

技术领域

本发明涉及复合型负刚度结构设计及其制备方法，具体涉及复合型负刚度蜂窝结构设计及其制备方法。

背景技术

超材料是不同于自然材料和传统人造材料具有特殊微观结构形式的非常规材料。超材料包括电磁超材料、光学超材料、声学超材料及机械超材料等，其中负刚度超材料就是属于机械超材料一类。

负刚度超材料具有可重用性，其在受力变形后可以自我恢复或通过简单方法使其恢复原状，可重用性材料符合国际材料发展趋势，是环境友好的重要体现。负刚度超材料具有可串联性，通过串联多个负刚度单胞，可以出现较长平台的吸能曲线。负刚度超材料具有零反弹特性，在一定条件下，外载荷所做的外力功完全被结构自身的大变形所吸收，而且当载荷释放时，结构不会向外释放应变能。

常见的负刚度结构可以归为簧/链/铰式，梁/板式，开孔板式等几个类型。簧/链/铰式负刚度结构便于理论上的建模，而且其机理探索比较方便，但其结构过于复杂。梁/板式负刚度结构在结构特征上比较简单，并且易于制备，但其在理论推导上比较困难。开孔板式负刚度结构是利用简单几何图形(三角形，四边形，六边形，星形等)在板中开孔并通过周期性排列来形成具有负刚度效应的多孔结构。

负刚度超材料在缓冲吸能方面的应用可以作为缓冲保护装置，震动控制方面的应用可以作为隔振减振装置，在噪声屏蔽方面的应用可以通过改变结构的形态来调控波的传播路径或禁带特征，此外还可用于制动器和可展开结构等。

公开号为CN 106960096A，公开日2017-07-18的发明专利“三维负刚度蜂窝结构及其制备方法”，公开了采用嵌片嵌锁到一起，形成的“井”字形结构，四个嵌片均开有贯穿其高度一半的嵌锁槽口，每个嵌锁槽口的宽度等于嵌片的厚度，且四个嵌片的厚度相同；四个嵌片其中两个定义为列组，另外两个定义为行组，列组的嵌锁槽口与行组的嵌锁槽口嵌锁到一起，形成三维负刚度蜂窝结构。虽然它具有既可以表现出相当大的正刚度，还可以在负刚度结构压缩后完全恢复的特性，但是还存在结构材料单一，可重用次数低(以塑性变形为主)问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有负刚度结构可重用次数低，强度低，吸能效果差的问题，而提供一种复合型负刚度吸能蜂窝结构及其制备方法。

本发明提出了由软硬两种材料组成的复合型负刚度蜂窝结构，形成材料互补机制，每种材料可以在弹性范围内发挥自己最大吸能优势。相比单一材料而言，该结构在保持高次可重用性的基础上更大程度的提升了结构的力学性能。

本发明的一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，它由四个嵌片嵌锁到一起，形成的“井”字形结构；每个嵌片均是由形硬材料体、“T”形连台和曲梁合围而成；

“王”字形硬材料体横向放置，并沿“王”字形硬材料体的中轴线以及中垂线将其分为四个形硬材料体；每个形硬材料体是由两个竖直支撑体和水平支撑体组成；两个竖直支撑体上端内侧壁分别开设有凹槽一；所述的曲梁两端分别与凹槽一底部连接，将凹槽一分成上下两个凹槽；曲梁中部上表面与“T”形连台的底部连接，且“T”形连台左右两侧与曲梁之间均开设有凹槽二；相邻的两个“T”形连台上端相连；

软材料体一的两端分别插入到凹槽一和凹槽二内；软材料体二分别插入到形硬材料体两端的凹槽一内。

本发明包含以下有益效果：