[发明专利]一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构

说明书

本发明涉及一种内凹型负泊松比超材料胞元，包括内凹六边形结构，内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁；两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连。还涉及上述胞元的蜂窝结构。支撑胞壁使得在胞元变形过程中会产生更多的塑性应变，提升了抗冲击性能。蜂窝结构刚度提高且维持较好的负泊松比特性，冲击载荷下结构的被动响应快。

技术领域

本发明涉及机械超材料技术领域，尤其是一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构。

背景技术

超材料是一种自然界中没有的、利用天然材料进行人工设计的特殊结构，其通常由一特定的胞元周期排列而成。由于超材料的性质很大程度上决定于其基本胞元，因此通过对胞元结构的创新设计可以制造出各种性能优异的超材料。

负泊松比超材料是一种泊松比值为负的人造结构，与常规材料在受到轴向压缩时横向膨胀相反，负泊松比材料在受到轴向压缩表现为横向收缩。这种反常的力学性质使得结构具有更高的抗冲击、抗剪切与能量吸收性能。内凹六边形结构是一种典型的负泊松比超材料，其通过两侧斜边在压缩时向内弯曲实现负泊松比效应。

现有研究表明内凹六边形结构具有优异的能量吸收性能。但其存在如下问题：

现有技术中，内凹六边形因其内部空隙率较大，承受大载荷时变形较快，承载能力有限。因此有必要对其进一步的改善以提高其抗冲击性能。因此，需要对传统内凹六边形胞元进行创新设计，以在保持其负泊松比特性的同时，增强其承载能力和吸能性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种内凹型负泊松比超材料胞元及蜂窝结构，解决了传统内凹六边形超材料胞元承载能力不足的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种内凹型负泊松比超材料胞元，包括内凹六边形结构，所述内凹六边形结构为：包括两个水平胞壁和四个倾斜胞壁；

所述两个水平胞壁的左右两端分别通过两个倾斜胞壁相连，所述两个倾斜胞壁连接成内凹折弯结构，从而形成上下左右对称的、两侧内凹的闭合结构；

所述内凹六边形结构的内部左右两侧对称设有支撑胞壁，所述支撑胞壁的两端分别与两个水平胞壁连接，且支撑胞壁的端部不与水平胞壁的端部重合，支撑胞壁的中点与构成所述内凹折弯结构的两个倾斜胞壁的连接点相连。

进一步技术方案为：

所述支撑胞壁为圆弧形，所述圆弧的半径为R，其满足以下条件：

其中，H为两个水平胞壁沿竖直方向的间距，即胞元的高度；A为倾斜胞壁与水平胞壁之间的夹角，45°＜A＜90°。

所述圆弧的半径R为无限大时，所述支撑胞壁由圆弧形变为直线形，沿竖直方向连接于两个水平胞壁之间。

圆弧形的左右两个支撑胞壁的圆心分别位于内凹六边形结构外部左右两侧。

内凹六边形结构具有统一的壁厚t1，两个支撑胞壁具有统一的壁厚t2，t1等于或不等于t2。

各胞壁的截面均为矩形。

一种内凹型负泊松比超材料蜂窝结构，通过所述的内凹型负泊松比超材料胞元在平面内周期性排列，排列规则为：竖直方向上，上下两胞元共用水平胞壁；水平方向上，相邻两个胞元之间在竖直方向的间距为胞元高度的1/2，并通过倾斜胞壁对应相接。

本发明的有益效果如下：