[发明专利]多维多向负刚度超材料结构及其实现方法

说明书

一类多维多向负刚度超材料结构及其实现方法，采用布拉菲点阵为负刚度超材料“骨架”，在每个点阵点处布置一个负刚度基元作为基本微结构，设置相邻负刚度基元之间通过短直梁连接，本发明能够实现二维和三维的在多个方向同时呈现负刚度效应的超材料构型，构成超材料的基元构型尺度不受限制，可以是微观材料(小于或等于1mm)和宏观结构(大于或等于1mm)，丰富了负刚度超材料的应用场景。

技术领域

本发明涉及的是一种超材料结构设计领域的技术，具体是一类多维多向负刚度超材料结构及其实现方法。

背景技术

变刚度超材料是指超材料在变形过程中因结构变化而具备多种刚度特性，其中屈曲型负刚度超材料在外载荷作用下发生弹性屈曲，位移增加而作用力减小，呈现负刚度效应。不同于传统蜂窝超材料通过塑性变形吸收能量，负刚度超材料在压缩载荷作用下表现出可恢复的弹性变形，因此具备可重复使用的优势。

预制余弦形曲梁的初始形状可表示为w₀(x)＝h/2·[1-cos(2πx/l)]，其中参数l为两端点连线长度，称为曲梁的跨长，h为梁中点到两端点连线的距离，称为曲梁的拱高。该梁在中点受集中力作用时发生屈曲而产生负刚度效应，被广泛用作负刚度超材料微结构中的基本负刚度元素。基于余弦形曲梁的负刚度超材料在其余弦形曲梁中点法线方向受压时，此方向上力-位移关系呈现局部斜率为负的效应，因此作为负刚度超材料实际使用中的主受力方向，具有重要的意义，负刚度超材料在该方向上具有良好的抗冲击吸能特性。

现有技术在设计基于余弦形曲梁的负刚度超材料时，以二维平面构型为主，并且大部分仅在一个方向上具有负刚度效应。此外，在设计构型时仅考虑了某个特定的方向，无法实现任意的承载角度。因此，为了使负刚度超材料具有更普遍的适用性，发挥其在抗冲击吸能材料领域的优势，设计和研究二维和三维的在多个具有任意夹角的方向同时呈现负刚度效应的超材料，具有极其重要的科学意义和广阔的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN106960096A，记载了一种三维负刚度蜂窝结构及其制备方法，通过3D打印制备或者切割板的方式制备嵌片，并在嵌片上开槽，通过槽嵌锁到一起，并进行钎焊，最终制成三维负刚度蜂窝结构。但该技术整体占用体积较大，空间利用率不高；结构仅在一个方向上呈现负刚度效应，载荷必须严格施加于该方向，因此无法适用于多轴受载工况。

发明内容

本发明针对现有负刚度超材料种类有限且类似，以及多数构型仅在一个方向上具有负刚度效应的问题，提出一类多维多向负刚度超材料结构及其实现方法，能够实现二维和三维的在多个方向同时呈现负刚度效应的超材料构型，构成超材料的基元构型尺度不受限制，可以是微观材料(小于或等于1mm)和宏观结构(大于或等于1mm)，丰富了负刚度超材料的应用场景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一类多维多向负刚度超材料结构的实现方法，采用布拉菲点阵为负刚度超材料“骨架”，在每个点阵点处布置一个负刚度基元作为基本微结构，设置相邻负刚度基元之间通过短直梁连接。

所述的短直梁的两端分别为两个相邻基元的两组负刚度梁的中点，短直梁的轴线与这两组负刚度梁的方向重合，负刚度基元中负刚度余弦形曲梁方向和该基元与相邻基元的连线方向相同。

所述的负刚度基元为周期性负刚度超材料的基本微结构，包括余弦形曲梁及其支撑框架。

所述的布拉菲点阵包括：二维点阵和三维点阵。

所述的负刚度梁是指：平面或空间余弦形曲梁，其方向定义为余弦形轴线平面内过梁中点的法线方向。

本发明涉及上述方法得到的多维多向负刚度超材料结构，包括：

1)6种二维双向负刚度超材料；

2)1种二维三向负刚度超材料；