[发明专利]一种具有面内负泊松比特性的轻量化蛋盒型单胞及制备

说明书

本发明属于机械超材料结构设计领域，涉及一种具有面内负泊松比特性的轻量化蛋盒型单胞，该轻量化蛋盒型单胞在第一方向、第二方向所在二维平面上的投影形状为正方形，正方形的对称中心处有一个波谷，四个边线的中点处各有一个波峰，波峰与波谷之间通过曲面相连接，若干成形孔且呈交错布置在所述轻量化蛋盒型单胞上。本发明的结构在保证原有蛋盒型结构高比强度、高比刚度、高吸能的前提下实现了结构的轻量化；同时花生形孔的引入使得蛋盒型结构的面内负泊松比效应大大增强，对于提高其弯曲稳定性和面内方向的吸能性能有巨大的作用。同时可以通过连续滚切、冲裁等方式高效制造，这使得本发明的制造方式简单，且成本低廉。

技术领域

本发明属于机械超材料结构设计领域，涉及一种具有面内负泊松比特性的轻量化蛋盒型单胞及制备。

背景技术

蛋盒型结构是一种典型的轻质结构，通过简单的冲压成形，使普通薄板加工成为波纹周期排布的板材，这使他具有设计灵活、成本低、易回收等特点。在实际应用过程中，蛋盒型结构相比较于普通薄板可以大幅提高结构整体的强度、刚度等力学性能，同时还能满足结构整体对于冲击吸能、隔热隔振隔音等多方面的功能和性能要求，因此具有非常光明的应用前景。但是，目前蛋盒型结构的以上性能优势主要体现在其垂直于载荷作用方向的各种面外特性上，而在其平行于载荷作用方向的各种面内特性方面则没有显著的性能优势。同时，使用整张完整薄板制造的蛋盒型结构也没有能够充分发挥结构的综合力学性能，其仍有很大的轻量化设计空间。

发明内容

本发明公开了一种具有面内负泊松比特性的轻量化蛋盒型结构，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有面内负泊松比特性的轻量化蛋盒型单胞，所述蛋盒型单胞在第一方向(X轴方向)、第二方向(Y轴方向)所在二维平面上的投影形状为正方形，正方形的对称中心处有一个波谷，四个边线的中点处各有一个波峰，波峰与波谷之间通过曲面相连接，若干成形孔且呈交错布置在所述轻量化蛋盒型单胞上，所述波峰与波谷的成形高度相同。

进一步，所述成形孔在第一方向(X轴方向)、第二方向(Y轴方向)所在二维平面上的投影形状为花生形孔。

进一步，所述花生形孔由两个半径为r的小圆与两个半径为R的大圆组合而成，且两个大圆分别与两个小圆相切。

进一步，所述花生形孔的大圆的半径R大于小圆的半径r。

进一步，所述花生形孔的R与r的比值为5～8:4。

进一步，所述波谷的成形高度与所述波峰的成形高度相等。

本发明的另一目的是提供一种制备具有面内负泊松比特性的轻量化蛋盒型单胞的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)制备蛋盒型单胞基体；

S2)确定花生形孔投影的几何形状和布置方式；

S3)按照S2)确定花生形投影的几何形状和布置方式在垂直于第一方向、第二方向所在平面的第三方向上穿过蛋盒型基体将花生形孔造型在所述蛋盒型单胞基体上，即得到具有面内负泊松比特性的轻量化蛋盒型单胞。

进一步，所述S2)的具体步骤为：

S2.1)给定花生形投影小圆的半径r，根据R与r的比值为5～8:4，确定大圆的半径R，

S2.2)给定小圆之间的圆心距d，通过以下公式求出切向大圆的圆心距S，公式如下所示：

最终确定花生形孔几何形状；

S2.3)布置方式的确定：

根据以下公式求出相邻花生形孔在蛋盒型单胞基体在第一方向、第二方向所在二维平面上的投影的宽度w,公式如下：