[发明专利]一种屈曲驱动大角度扭转的点阵结构设计

说明书

本发明提供一种屈曲驱动大角度扭转的点阵结构设计，点阵杆件，包括两根正交连接的斜杆构成的X形杆件，和分别垂直穿过X形杆件相交点两侧斜杆的贯穿竖杆，贯穿竖杆的高度与X形杆件的高度一致并与斜杆形成一体结构，贯穿竖杆的两端贯穿斜杆并与X形杆件的高度相同；点阵结构，由正交连接的两件点阵杆件，和对点阵杆件上下端部进行约束的面板组成。本发明利用杆件的非线性屈曲变形实现了结构瞬时的大角度扭转，单位轴向变形的最大瞬时扭转角达到了150°/％，远高于压扭手性超材料中的2°/％；因此，非线性屈曲变形所诱发的瞬时大角度扭转将进一步拓展压扭超材料的应用范围。

技术领域

本发明涉及点阵吸能结构领域，特别是涉及一种在受到外力时呈献屈曲驱动大角度扭转的点阵结构设计。

背景技术

压缩扭转力学超材料是当前力学超材料研究的热点，最初由卡尔斯鲁厄理工学院的Wegener团队在2017年提出，它通过超材料中的三维手性单元结构将单元杆件内的线弹性变形转化为宏观的扭转变形，打破了传统均质材料中胡克定律的约束，获得了更高的设计自由度。

将手性结构中杆件的线性变形转化为结构的扭转变形可以获得稳定增长的扭转角度，但由杆件中线弹性变形驱动的扭转角度通常较小，在该研究中在单位轴向应变中获得的最大扭转角仅为2°/％，同时手性结构的设计和制备较为复杂。杆件的屈曲变形作为一种常见的非线性变形特征，常被用来进行多稳态力学超材料的设计，而利用单元杆件的非线性屈曲变形实现瞬时的大角度扭转的研究至今鲜有报道，相较于三维手性超材料中稳定渐进的小角度扭转，非线性屈曲变形所诱发的瞬时大角度扭转将进一步拓展压扭超材料的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种在受到外力时呈献屈曲驱动大角度扭转的点阵结构设计。

具体地，本发明提供一种屈曲驱动大角度扭转的点阵结构设计，包括：

点阵杆件，包括两根正交连接的斜杆构成的X形杆件，和分别垂直穿过X 形杆件相交点两侧斜杆的贯穿竖杆，贯穿竖杆的高度与X形杆件的高度一致并与斜杆形成一体结构，贯穿竖杆的两端贯穿斜杆并与X形杆件的高度相同；

点阵结构，由正交连接的两件点阵杆件，和对点阵杆件上下端部进行约束的面板组成。

本发明相较于三维手性压扭超材料中将杆件内的线弹性载荷转化为宏观结构的扭转变形，公开的压扭点阵结构利用杆件的非线性屈曲变形实现了结构瞬时的大角度扭转，单位轴向变形的最大瞬时扭转角达到了150°/％，远高于压扭手性超材料中的2°/％。非线性屈曲变形所诱发的瞬时大角度扭转将进一步拓展压扭超材料的应用范围。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的点阵结构的结构示意图；其中(a)为点阵结构的立体图，(b)为点阵结构的正视图；

图2是本发明一个实施方式的点阵结构扭曲状态示意图；其中，(a)为点阵结构的扭曲状态示意图，(b)为(a)的俯视图；

图3是本发明一个实施方式的点阵杆件结构示意图；

图4是点阵结构的扭矩受力示意图；

图5是点阵结构的嵌锁结构示意图；

图6为点阵结构的压缩扭转变形过程，图中示出四种扭转角度下杆件的变形情况，其中(a)是数值模拟条件下点阵扭转的俯视图和正视图，(b)是实验条件下的扭转变形过程；

图7是图6点阵结构在扭转变形过程的载荷位移曲线和扭转角位移曲线；

图8是本发明一个实施方式中，定向扭转点阵结构中缺陷的设置示意图；

图9是定向扭转和非定向扭转点阵结构的压缩应力和扭转角关于压缩应变的变化关系。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。