本發(fā)明屬于力學(xué)超材料，具體涉及一種多功能負(fù)泊松比菱形蜂窩結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、材料屈曲通常被認(rèn)為是一種不希望的結(jié)構(gòu)失效模式，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)永久性的塑性變形甚至破壞。而對(duì)彈性材料的研究則改變了這一認(rèn)知，彈性多孔材料的可逆的屈曲和后屈曲行為為多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了新的機(jī)遇，如利用多孔材料中的機(jī)械不穩(wěn)定性設(shè)計(jì)拉脹材料，開發(fā)軟致動(dòng)器，控制彈性波的傳播，制造可重復(fù)使用的能量吸收材料、設(shè)計(jì)能量捕獲裝置以及設(shè)計(jì)具有可切換功能、形態(tài)改變的多尺度材料。一種被廣泛研究的基于屈曲的彈性材料是模式轉(zhuǎn)換機(jī)械超材料，其表現(xiàn)為材料被壓縮超過閾值時(shí)，胞元發(fā)生協(xié)同屈曲，節(jié)點(diǎn)發(fā)生大范圍旋轉(zhuǎn)，這個(gè)過程通常會(huì)引起結(jié)構(gòu)可調(diào)的泊松比，使結(jié)構(gòu)的泊松比由正值變?yōu)樨?fù)值，因此利用模式轉(zhuǎn)換特性可以設(shè)計(jì)具有負(fù)泊松比效應(yīng)的多孔結(jié)構(gòu)。

2、一般的材料在受拉時(shí)出現(xiàn)橫向收縮、受壓時(shí)橫向膨脹，而負(fù)泊松比材料則在結(jié)構(gòu)在受拉時(shí)橫向膨脹，受壓時(shí)橫向收縮。負(fù)泊松比的概念最早在18世紀(jì)就被提到，并且在之后對(duì)天然材料的研究中發(fā)現(xiàn)了具有負(fù)泊松比效應(yīng)的材料，如黃鐵礦晶體和承重松質(zhì)骨等。并且一系列具有負(fù)泊松比效應(yīng)的人造結(jié)構(gòu)被相繼提出，如凹角蜂窩、手性結(jié)構(gòu)、聯(lián)鎖多邊形結(jié)構(gòu)、穿孔板結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)多邊形結(jié)構(gòu)等都具有顯著的負(fù)泊松比效應(yīng)。由于負(fù)泊松比材料具有優(yōu)異的抗剪切性、抗壓痕性、曲面同向性和可變滲透率等特性，使其在國防軍事、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。利用模式轉(zhuǎn)換獲得負(fù)泊松比效應(yīng)多見于彈性穿孔板結(jié)構(gòu)中，并逐漸將這種設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到蜂窩結(jié)構(gòu)中，如正方形蜂窩、六邊形蜂窩等。

3、蜂窩結(jié)構(gòu)作為多孔結(jié)構(gòu)的一種被廣泛研究，其中菱形蜂窩結(jié)構(gòu)作為一種理想的緩沖減振及吸能材料，具有壓縮變形能力強(qiáng)、相對(duì)密度小、比強(qiáng)度高、易于設(shè)計(jì)制作等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于包裝工程、車輛運(yùn)輸、航空航天、生物醫(yī)學(xué)及建筑工程等多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的菱形蜂窩在單軸壓縮下會(huì)出現(xiàn)胞壁的全波彎曲變形，并且不會(huì)表現(xiàn)出負(fù)泊松比。實(shí)現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比一般是運(yùn)用凹角蜂窩設(shè)計(jì)方法，如內(nèi)凹六邊形蜂窩、箭頭型蜂窩、星型蜂窩等，其形成負(fù)泊松比的機(jī)理是凹角蜂窩結(jié)構(gòu)在承受拉/壓載荷時(shí)，傾斜桿件在產(chǎn)生彎曲變形的同時(shí)會(huì)發(fā)生面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得結(jié)構(gòu)在受拉時(shí)向外膨脹，在受壓時(shí)向內(nèi)折疊收縮。這些傾斜桿件主要承受軸力和彎矩的作用，并且其通常具有較大的長細(xì)比，因此抵抗變形的能力較弱，結(jié)構(gòu)的整體承載能力有限。而使菱形蜂窩出現(xiàn)負(fù)泊松比的方法通常是將菱形蜂窩與星型/箭頭型蜂窩進(jìn)行組合，這種做法得到的結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的幾何形狀，不利于大規(guī)模生產(chǎn)制造，并且組合結(jié)構(gòu)中的菱形結(jié)構(gòu)主要起到增強(qiáng)和改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的效果，并非使其直接產(chǎn)生負(fù)泊松比。如專利《一種星型-菱形負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)》2021111530054公開了一種星型—菱形組合蜂窩，在軸向壓縮時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)頸縮而產(chǎn)生負(fù)泊松比效應(yīng)。其基本組成胞元包括一個(gè)星型結(jié)構(gòu)和四個(gè)單箭頭型結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)單箭頭相連呈菱形結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)提高了結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比效應(yīng)并使結(jié)構(gòu)的變形更穩(wěn)定，具有更廣泛的平臺(tái)階段從而提高結(jié)構(gòu)的吸能效果，但也使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，給大規(guī)模生產(chǎn)制作帶來麻煩。同樣，專利《一種x型負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)》2022108695554是以菱形蜂窩為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了x型蜂窩，在實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比的機(jī)理方面，其在面內(nèi)軸向壓縮下出現(xiàn)負(fù)泊松比是因?yàn)檩^長的傾斜桿件率先發(fā)生彎曲變形，使結(jié)構(gòu)整體上出現(xiàn)橫向收縮；平臺(tái)應(yīng)力提高的的策略方面，該專利的x型蜂窩設(shè)計(jì)是通過增加桿件數(shù)量共同承載、且增加的桿件增強(qiáng)了對(duì)結(jié)構(gòu)的約束，以使結(jié)構(gòu)的平臺(tái)應(yīng)力得以提高。

4、此外，以局部屈曲為特征的模式轉(zhuǎn)換也會(huì)使多孔結(jié)構(gòu)的泊松比由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)，并且結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)秀，變形均勻穩(wěn)定，比如結(jié)構(gòu)具有較高的剛度、穩(wěn)健的平臺(tái)階段，節(jié)點(diǎn)的在壓縮過程中的旋轉(zhuǎn)等。但傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)在單軸壓縮下不會(huì)出現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)橛|發(fā)以局部屈曲為特征的模式轉(zhuǎn)換總是高于觸發(fā)結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲變形或者整體屈曲所需要的應(yīng)力。因此，要想實(shí)現(xiàn)菱形蜂窩的模式轉(zhuǎn)換就要對(duì)其幾何構(gòu)型進(jìn)行修改，從而改變結(jié)構(gòu)的優(yōu)先變形模式。

5、為了獲得直接產(chǎn)生負(fù)泊松比效應(yīng)的菱形蜂窩結(jié)構(gòu)，本專利對(duì)菱形蜂窩的拓?fù)錁?gòu)型進(jìn)行修改，將模式轉(zhuǎn)換效應(yīng)引入其中，設(shè)計(jì)出一種新的具有負(fù)泊松比效應(yīng)的多功能菱形蜂窩結(jié)構(gòu)，并且結(jié)構(gòu)的剛度、平臺(tái)應(yīng)力等得到極大的提高。

6、作為同樣是基于結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)的可調(diào)的負(fù)泊松比，專利《具有重復(fù)的細(xì)長孔圖案的孔隙結(jié)構(gòu)》201480024260是針對(duì)圓形孔隙正方形陣列的多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生模式轉(zhuǎn)換后的圖案進(jìn)行設(shè)計(jì)的，幾何構(gòu)型不同于本專利，其按照變形后的孔隙形狀在無應(yīng)力狀態(tài)下對(duì)平面板進(jìn)行開孔，孔隙形狀為交替正交排列的橢圓孔隙或具有類似橢圓孔特征的孔隙，從而在宏觀應(yīng)力/應(yīng)變下獲得期望的負(fù)泊松比，并通過調(diào)整孔隙率和孔的縱橫比調(diào)整結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。另外，在對(duì)模式轉(zhuǎn)換特性的運(yùn)用方面，其針對(duì)結(jié)構(gòu)模式轉(zhuǎn)換后的幾何配置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其直接出現(xiàn)負(fù)泊松比，這與本專利在單軸壓縮下出現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，從而使結(jié)構(gòu)具有負(fù)泊松比效應(yīng)具有明顯區(qū)別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種多功能負(fù)泊松比菱形蜂窩結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控變截面梁的角度和長度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)菱形蜂窩變形模式的轉(zhuǎn)變，具有優(yōu)異的負(fù)泊松比效果，并且結(jié)構(gòu)變形均勻，具有穩(wěn)健的平臺(tái)階段可用于結(jié)構(gòu)吸能，且結(jié)構(gòu)形式簡單，易于制作，可以通過澆筑、切割等傳統(tǒng)方式大批量生產(chǎn)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2、本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、一種多功能負(fù)泊松比菱形蜂窩結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)在同一平面內(nèi)周期性排列的單胞結(jié)構(gòu)，各單胞結(jié)構(gòu)依此首尾相連形成菱形蜂窩；

4、所述單胞結(jié)構(gòu)包括四個(gè)直梁和四個(gè)變截面梁，各變截面梁的側(cè)邊與其所連接的直梁呈一定夾角設(shè)置，左、右相鄰且對(duì)稱的變截面梁的內(nèi)側(cè)相互連接形成內(nèi)凹箭頭結(jié)構(gòu)，左、右相臨且對(duì)稱的變截面梁的外側(cè)在豎直方向相連接。

5、進(jìn)一步地，所述直梁由兩第一傾斜胞壁和一第二傾斜胞壁組成；所述變截面梁由內(nèi)截面梁胞壁和外截面梁胞壁組成，內(nèi)、外截面梁胞壁在直梁軸線兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置；上、下相鄰的外截面梁胞壁之間直接相連或連接有豎直胞壁。

6、進(jìn)一步地，上、下相鄰的兩個(gè)單胞結(jié)構(gòu)共用一個(gè)第二傾斜胞壁。

7、進(jìn)一步地，所述直梁的厚度為t，直梁長度為le/2；變截面梁的側(cè)邊與其所連接的直梁的軸線的夾角為θ，變截面梁的軸線長度為l/2-le/2，變截面梁的截面寬度為t(x)＝t+2tanθ·x,x∈[0,l/2-le/2]。

8、進(jìn)一步地，l為圍成單個(gè)菱形蜂窩的上下相鄰單胞結(jié)構(gòu)的直梁軸向長度和變斜面梁的軸向長度加總；le為圍成單個(gè)菱形蜂窩的上下相鄰單胞結(jié)構(gòu)的直梁長度加總。

9、進(jìn)一步地，以上參數(shù)滿足：le/l≤0.6；15°≤θ≤45°；0.08≤t/l≤0.16。

10、進(jìn)一步地，所述多功能負(fù)泊松比菱形蜂窩結(jié)構(gòu)在非線性彈性阻尼器中的應(yīng)用?？捎糜谥圃炜芍貜?fù)使用的非線性彈性阻尼器以用于結(jié)構(gòu)減振。

11、本發(fā)明的有益效果：

12、1、相較現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明是對(duì)菱形蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)，幾何構(gòu)型簡單，通過調(diào)整菱形蜂窩的拓?fù)錁?gòu)型，誘導(dǎo)其在單軸壓縮下出現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，從而使結(jié)構(gòu)具有負(fù)泊松比效應(yīng)；具體通過調(diào)控變截面梁的角度和長度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)了菱形蜂窩變形模式的轉(zhuǎn)變，當(dāng)結(jié)構(gòu)受壓超過閾值時(shí)，結(jié)構(gòu)的泊松比迅速由正值降為負(fù)值。

13、2、本發(fā)明通過增加節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸提高了結(jié)構(gòu)的剛度和平臺(tái)應(yīng)力，新型菱形蜂窩在軸向壓縮下的穩(wěn)健的平臺(tái)階段使其具有良好的吸能效果。這種增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提高了結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，使得菱形蜂窩的楊氏模量、比剛度及平臺(tái)應(yīng)力等均大大提高，改進(jìn)了結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。并且結(jié)構(gòu)的形式簡單，易于制作，可以通過澆筑、切割等傳統(tǒng)方式大批量生產(chǎn)。

14、3、本發(fā)明運(yùn)用增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的方法將模式轉(zhuǎn)換引入蜂窩結(jié)構(gòu)中，模式轉(zhuǎn)換使菱形蜂窩的節(jié)點(diǎn)具有轉(zhuǎn)動(dòng)特性，可產(chǎn)生大范圍旋轉(zhuǎn)，將結(jié)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用此特性可開發(fā)出扭轉(zhuǎn)致動(dòng)器等，由于在一些骨骼中也有類似的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，這為生物醫(yī)學(xué)材料的開發(fā)帶來寶貴的見解。

15、綜上，本發(fā)明改善和豐富了菱形蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，拓寬了菱形蜂窩的應(yīng)用范圍。該設(shè)計(jì)思路和方法同樣適用于正方形蜂窩和六邊形蜂窩。