[发明专利]一种具有多步形变效应的负泊松比蜂窝超材料

说明书

本发明涉及一种具有多步形变效应的负泊松比蜂窝超材料，包括多个在同一平面内横向和纵向周期性排列的单胞，单胞均由长杆组成且所有单胞中的长杆均位于同一平面内；单胞包括双箭头杆结构和两根斜杆，两根斜杆的一端相互连接，另一端分别与双箭头杆结构左侧和右侧的两个顶点连接，双箭头杆结构包括两个箭头形杆结构，且两个箭头形杆结构的两端重合，双箭头杆结构和两根斜杆左右对称。本发明所提供的超材料可实现多步变形，第一步变形为双箭头上层的两根斜杆发生逐层屈曲变形，对冲击荷载较小的情况能起到缓冲作用，第二步变形为双箭头型结构变形模式，结构表现出明显的负泊松比效应，两步变形协同能够缓冲多种冲击工况，提高能量吸收效率。

技术领域

本发明涉及力学超材料设计技术领域，具体的讲是一种具有多步形变效应的负泊松比蜂窝超材料。

背景技术

力学超材料是指通过人工设计结构并表现出传统材料所不具备的特殊力学性能的材料，其特殊的力学性能与单胞的结构设计有关。典型的力学超材料通常与弹性模量和泊松比等弹性常数有关，负泊松比材料是泊松比表现出超常力学性能的材料。

负泊松比材料通常在材料受到轴向拉伸(或压缩)时发生横向膨胀(或收缩)，其泊松比表现为负值。材料的泊松比与弹性模量和切变模量有关，由于特殊的结构设计，结构表现出负泊松比效应，其具有抗剪切性、抗压入、高断裂韧性以及高能量吸收效率，在航空航天工程、汽车工业、包装和人体防护等领域有着广泛的应用前景。

现有的负泊松比蜂窝结构多只具有单步路径，即结构在载荷作用下只出现单一的变形模式，这限制了结构的多任务应用。而多步变形结构在载荷作用下会产生多种变形模式的转换，从而能表现出双平台或多平台特征，具有更好的压缩性能和可调控性，因此力学超材料的多步变形形式具有重要的研究价值和广阔的应用空间，但多步变形结构尤其是具有负泊松比效应的多步变形结构仍然较少，需要进一步探索，因此，设计具有多步变形的力学超材料是必要且具有意义的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种具有多步形变效应的负泊松比蜂窝超材料，本发明所提供的超材料可实现多步变形，第一步变形为双箭头上层的两根斜杆发生逐层屈曲变形，对冲击荷载较小的情况能起到缓冲作用，第二步变形为双箭头型结构变形模式，结构表现出明显的负泊松比效应，两步变形协同能够缓冲多种冲击工况，提高能量吸收效率。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有多步形变效应的负泊松比蜂窝超材料，包括多个在同一平面内横向和纵向周期性排列的单胞，所有单胞均由长杆组成且所有单胞中的长杆均位于同一平面内；

所述单胞包括双箭头杆结构和两根斜杆，两根斜杆的一端相互连接，另一端分别与双箭头杆结构左侧和右侧的两个顶点连接，所述双箭头杆结构包括两个箭头形杆结构，且两个箭头形杆结构的两端重合。

进一步的，纵向相邻的两个单胞，位于上方的单胞的双箭头杆结构的底端顶点与位于下方的单胞的两根斜杆的交点连接；

横向相邻的两个单胞，位于左侧的单胞的双箭头杆结构的右侧顶点与位于右侧单胞的双箭头杆结构的左侧顶点连接。

进一步的，所述双箭头杆结构包括两根下杆和两根上杆，两根下杆的底端相互连接形成第一内凹弯折结构，两根上杆的底端相互连接形成第二内凹弯折结构，且第一内凹弯折结构位于第二内凹弯折结构的下方，两根下杆的顶端分别与同一侧的上杆的顶端连接。

进一步的，所述斜杆与上杆的长度相同，两根斜杆和两根上杆构成菱形结构。

进一步的，所述下杆与垂直方向的夹角α∈[0，45°]。

进一步的，所述斜杆与上杆之间的夹具θ∈[0，180°-2α]，其中α为下杆与垂直方向的夹角。

进一步的，所述单胞为左右对称结构。