[发明专利]一种基于卡扣结构的多稳态力学超构材料

说明书

本发明公开了一种基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，包括两个部分，一个是由卡扣阵列排列的卡扣管结构，另一个是由凹槽阵列排列的卡槽结构。其中，卡扣管上分布悬臂梁卡扣，卡槽结构由带有凸起圆环的贯穿圆孔组成。卡扣管装配到卡槽上，表现出双稳态，即装配前的第一稳态和装配后的第二稳态。所述的超构材料是将卡扣管结构插入到卡槽结构中。受外界载荷时，结构展示出多个稳态，具有多级吸能效果。再施加反向载荷时，超构材料可以恢复到初始稳态。通过设计结构的排列、尺寸参数，可以调节其力学性能，具有可编程和可重构性以适应非平面保护体。结构还有优异的防冲击性能和减少反弹能量，可用于开发减震器。

技术领域

本发明涉及一种多稳态力学超构材料，尤其涉及一种基于卡扣结构的多稳态力学超构材料。

背景技术

超构材料是一类具有天然材料不具备的超常物理性质的人工结构材料，其独特性能来自它们的几何结构而非材料组分。具有独特力学性质的力学超构材料可以提供一些新颖的功能特性，如复杂的双稳态、可调节的刚度、负热膨胀和拉胀行为等。近年来，多稳态力学超构材料因其独特的力学性能（如可重复使用、可重构的形状、能量吸收和可编程的能量景貌）受到广泛研究。

传统的吸能结构具有不可逆的能量转换、受限制且相当恒定的反作用力、较长的行程、重量轻且比能量吸收高的特点。然而，它们缺乏稳定和可重复的变形模式。这使得安装和维护成本增加，造成了资源浪费。多稳态结构具有存储机械能和可重复使用的性能，可应用于能量吸收装置。常见的双稳态结构如柔性铰链、弯曲梁、薄壳、折纸等结构，普遍都存在强度低、制作工艺复杂、机械能吸收性能弱以及性能调控不便等缺点。因此需要设计出既保持传统吸能结构的特点，又可以稳定、强度高和可重复使用的吸能结构。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种可重复使用能量吸收多稳态力学超构材料。

技术方案：本发明所述的基于卡扣结构的多稳态力学超构材料，由卡扣管阵列排列的卡扣管结构和由凹槽阵列排列的卡槽结构两部分组成；所述卡扣管外径小于凹槽孔径，卡扣管结构与卡槽结构插合连接。

进一步地，所述卡扣管两侧对称排列有悬臂梁卡扣。所述卡扣管装配到卡槽结构上，这个过程展示出卡扣结构的双稳态性，即装配前的第一个稳态和装配后的第二个稳态。当外界载荷超过临界装配力时，悬臂梁卡扣和卡槽从第一个稳态转换为第二个稳态。若施加相反的载荷，悬臂梁卡扣和卡槽又会从第二个稳态转换为第一个稳态。

进一步地，所述卡槽结构中设有多个贯穿的圆孔，圆孔内排列着凸起的圆环。在悬臂梁卡扣装配到卡槽上时，悬臂梁卡扣与凸起圆环有接触，圆环是固定的，而悬臂梁卡扣发生弹性偏斜，装配完成后悬臂梁卡扣恢复为原来形状。

进一步地，所述卡扣管和凹槽需要形状匹配，形状为圆形，方形或五边形。

进一步地，所述悬臂梁卡扣排列间距是圆环排列间距的3-5倍。这是为了保证圆管上排列的卡扣同时发生偏斜，以产生多稳态性能。

进一步地，所述悬臂梁卡扣在圆管上阵列排列，将卡扣圆管结构插入到卡槽结构上组装成多稳态力学超构材料后，此超构材料具有多稳态的性能，即具有多个稳定的状态，可以实现多级能量吸收。

进一步地，所述的多稳态力学超构材料能够吸收机械能，其能量吸收由悬臂梁卡扣结构决定，如悬臂梁长度、插入面角度、保持面角度、跟切深度等。

进一步地，所述的卡扣管结构和卡槽结构通过CAD建模、3D打印制备得到。