[发明专利]一种可回复六向缓冲吸能超材料及其设计方法

权利要求书

1.一种可回复六向缓冲吸能超材料，其特征在于，所述超材料包括多个完全相同的单胞周期排列而成，所述单胞由长方体框架(1)、交叉曲梁(2)和连接杆(3)构成，长方体框架(1)为交叉曲梁(2)提供安装空间，所述长方体框架(1)由10根直梁组成；交叉曲梁(2)由两根曲梁(2-1)组成，6组交叉曲梁(2)分别安装在长方体框架(1)的6个面，交叉曲梁(2)的端部与长方体框架(1)固定连接，连接杆(3)与交叉曲梁(2)的中部固定连接，通过连接杆(3)依次连接不同单胞的交叉曲梁(2)中部，使多个单胞连接形成多胞的超材料结构。

2.根据权利要求1所述的一种可回复六向缓冲吸能超材料，其特征在于，长方体框架(1)相对面内布置的交叉曲梁(2)弯曲方向相同，相对面内的交叉曲梁(2)经过平移可以重合。

3.根据权利要求1所述的一种可回复六向缓冲吸能超材料，其特征在于，曲梁(2-1)具有屈曲阶跃的性质，根据构造曲梁(2-1)的结构形状；其中，是单根曲梁(2-1)中心线上任意一点与曲梁(2-1)两端点确定水平线的最短长度，h是曲梁(2-1)的弧高，x是曲梁(2-1)两个端点的连线上距离一个端点的距离，l是单根曲梁的跨度；

当曲梁(2-1)的弧高h与面内厚度t的比值大于2.31时，曲梁为双稳态，当曲梁(2-1)的弧高h与面内厚度t的比值小于2.31时，曲梁为单稳态。

4.根据权利要求3所述的一种可回复六向缓冲吸能超材料，其特征在于，曲梁(2-1)为单稳态。

5.根据权利要求3所述的一种可回复六向缓冲吸能超材料，其特征在于，交叉曲梁(2)的刚度变化分为三段：第一正刚度段、负刚度段和第二正刚度段。

6.一种如权利要求1～5任一项所述的可回复六向缓冲吸能超材料的设计方法，其特征在于，包括步骤：

S1：给定单胞的长方体框架(1)及其几何尺寸，长方体框架(1)提供用于安装交叉曲梁(2)的安装面；

S2：根据公式绘制单根曲梁(2-1)的结构形状，定义Q表示交叉曲梁(2)中单根曲梁(2-1)的弧高h与曲梁(2-1)的面内厚度t的比值，当Q大于2.31时，设计的单根曲梁(2-1)为双稳态，当Q小于2.31时，设计的曲梁(2-1)为单稳态；

其中，是单根曲梁(2-1)中心线上任意一点与曲梁(2-1)两端点确定水平线的最短长度，h是曲梁(2-1)的弧高，x是曲梁(2-1)两个端点的连线上距离一个端点的距离，l是曲梁(2-1)的有效跨度；l通过长方体框架(1)的几何尺寸确定；

S3：根据公式估算曲梁(2-1)的作用力阈值，建立曲梁(2-1)作用力阈值与曲梁(2-1)结构参数I，h和l之间的关系，其中，f_top为曲梁(2-1)的作用力阈值，E为材料的弹性模量，I为单根曲梁的惯性矩，两根曲梁(2-1)交叉布置构成交叉曲梁(2)；

S4：构建单胞，交叉曲梁(2)安装在长方体框架(1)的6个面内，单胞的长方体框架(1)中，长方体框架(1)相对的安装面内布置的交叉曲梁(2)的弯曲方向一致；

S5：构建超材料，通过连接杆(3)将不同单胞的交叉曲梁(2)中部依次首尾相连，使多个单胞连接形成多胞的超材料结构，利用3D打印技术进行超材料的加工，以单胞结构中三条相互垂直的边分别作为x，y，z三个轴，则设计加工的超材料在±x，±y，±z六个方向中任意一个方向的作用力阈值通过公式F_t＝2n₁f_top得到，n₁为指定方向中并联的单胞个数，F_t为估算的超材料在±x，±y，±z六个方向中任意一个方向的宏观作用力阈值。