[发明专利]一种可回复六向缓冲吸能超材料及其设计方法

说明书

本发明公开了一种可回复六向缓冲吸能超材料及其设计方法，涉及超材料技术领域，其包括由多个单胞周期排列而成的多胞超材料结构，单胞由长方体框架和交叉曲梁构成，长方体框架由10根直梁组成，交叉曲梁由两根曲梁组成，将6组交叉曲梁安装在长方体框架的6个面内，交叉曲梁的端部与长方体框架固定连接，长方体框架相对面上布置的交叉曲梁弯曲方向一致，利用连接杆将不同单胞中交叉曲梁的中部连接在一起，多个单胞周期排布形成多胞的超材料结构。本发明中超材料是由单胞周期排列构成，通过编译单胞中交叉曲梁的力学性能就可以对超材料各个方向的力学性能进行调整，其应用范围广，且其加工简单，可以利用3D打印技术直接制作，便于大规模的推广使用。

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种可回复六向缓冲吸能超材料及其设计方法。

背景技术

“超材料”指的是一些具有人工设计的结构并呈现天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。“超材料”是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些自然规律的限制，从而获得超出自然界固有性质的超常材料。

目前已有的缓冲吸能结构设计，多是利用结构材料的塑性变形实现良好的缓冲吸能效果(例如蜂窝结构材料、汽车防撞梁等)，但是这些结构材料不具有可重复使用的特点，在承受一次冲击后，必须更换结构材料才能应对下次的冲击工况。此外，机械装置的设计也能取得较好的缓冲效果，例如专利CN2016204327055所述的一种可伸缩式汽车碰撞缓冲吸能装置，主要是利用阻尼弹簧的形变，实现冲击能量的吸收，但所述的缓冲吸能装置基本只能实现单轴向缓冲，并且零件较多，结构复杂，使得加工比较困难，不易于大规模推广使用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种可回复六向缓冲吸能超材料及其设计方法。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种可回复六向缓冲吸能超材料，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。

进一步地，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。

进一步地，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。

进一步地，曲梁(2-1)为单稳态。

进一步地，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。

本发明还提供了一种上述可回复六向缓冲吸能超材料的设计方法，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)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；