基于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，尤其是涉及一種基于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]負泊松比結(jié)構(gòu)具有廣泛的應(yīng)用范圍，但其研究仍局限于理論認識層面，如何在保持負泊松比效應(yīng)的同時提高其剛度是其制約因素。3D打印技術(shù)促進了該類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展，但其剛度提升仍是薄弱環(huán)節(jié)。通過采用雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼桿，有望在提升該類結(jié)構(gòu)的負泊松比效應(yīng)的同時，提升其剛度，促進其應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是將雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼引入負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，提供了一種具有較高剛度、卷曲狀態(tài)穩(wěn)定、負泊松比效應(yīng)顯著的基于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，為該類結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了支撐。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0005]—種基于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，由若干個蜂窩胞元結(jié)構(gòu)交錯排列組成，所述蜂窩胞元結(jié)構(gòu)為由雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿和連接圓管構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼蜂窩胞元結(jié)構(gòu)，4根雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼桿的一端連接到與雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼桿卷曲穩(wěn)定曲率半徑一致的連接圓管上，另一端與另一組胞元的連接圓管連接，形成一種具有負泊松比特性的蜂窩結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0007]與采用平板支撐的蜂窩胞元結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明采用具有雙穩(wěn)態(tài)特性的復(fù)合材料柱殼桿可提高所成型蜂窩結(jié)構(gòu)的展開支撐剛度，且壓縮時，自動卷曲收縮，避免了采用平板結(jié)構(gòu)時出現(xiàn)的較大范圍屈曲現(xiàn)象，可大幅提高該類結(jié)構(gòu)的負泊松比效應(yīng)和結(jié)構(gòu)剛度，并提升結(jié)構(gòu)的可靠性。
【附圖說明】
[0008]圖1為雙穩(wěn)態(tài)可展開柱殼展開與卷曲的過渡狀態(tài)(左端為伸開狀態(tài):直柱殼；右端為卷曲狀態(tài))；
[0009]圖2為雙穩(wěn)態(tài)可展開柱殼的橫截面；
[0010]圖3為繞圓管穩(wěn)定卷繞方式；
[0011]圖4為雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿展開與卷曲不意圖；
[0012]圖5為典型雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿蜂窩結(jié)構(gòu)胞元展開狀態(tài)；
[0013]圖6為典型雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿蜂窩結(jié)構(gòu)胞元展開一收縮狀態(tài)；
[0014]圖7為典型雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿蜂窩結(jié)構(gòu)不意圖；
[0015]圖中:1-連接圓管，2_雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0017]如圖7所示，本發(fā)明提供了一種基于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，所述負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)由若干個雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼蜂窩胞元結(jié)構(gòu)交錯排列組成，其中:雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼蜂窩胞元結(jié)構(gòu)按照以下方法進行制備:
[0018]1、采用平紋編織碳纖維復(fù)合材料通過沿軸向方向成45度方向固化成型，形成具有初始曲率半徑為Γι的雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿，該雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿在卷曲狀態(tài)也處于穩(wěn)定狀態(tài)，且不存在彎扭耦合作用。
[0019]2、將4根該類型雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼桿一端連接到與雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼桿卷曲穩(wěn)定曲率半徑一致的連接圓管上，另一端與另一組胞元的連接圓管連接，可形成一種具有負泊松比特性的蜂窩結(jié)構(gòu)。
[0020]由于雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿僅可以沿一個方向卷曲收縮，因此，采用該柱殼桿的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)形式不同，卷曲收攏時更緊密。所有圓管均是沿一個方向轉(zhuǎn)動時(圓管逆時針轉(zhuǎn)動為收卷)，收卷；沿相反方向轉(zhuǎn)動時，展開，實現(xiàn)了同步性(圖5-6)。
[0021]初始雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿的伸開狀態(tài)如圖1所示，橫截面如圖2所示，截面張角為β，截面半徑為Α，柱殼厚度為t。
[0022]對于第二穩(wěn)定狀態(tài)(即卷曲穩(wěn)定狀態(tài))，其穩(wěn)定曲率半徑為r2= D η*Γι/1)12，也即是中心圓管的外徑為r2，纏繞方式見圖3，其中:Dn和D12為復(fù)合材料薄壁柱殼管的抗彎剛度系數(shù)，可根據(jù)材料參數(shù)和纖維體積含量確定。
[0023]在成型時，應(yīng)保證各個連接圓管中心距離滿足d彡4 31 r2+2r2，這樣卷曲時，中心圓曲率半徑約增加至r2+4t，即緊密纏繞時，對應(yīng)兩中(圖4)心距離約為D = 2r2+8to
【主權(quán)項】
1.一種基于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，由若干個蜂窩胞元結(jié)構(gòu)交錯排列組成，其特征在于所述蜂窩胞元結(jié)構(gòu)為由雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿和連接圓管構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼蜂窩胞元結(jié)構(gòu)，4根雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼桿的一端連接到與雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼桿卷曲穩(wěn)定曲率半徑一致的連接圓管上，另一端與另一組胞元的連接圓管連接，形成一種具有負泊松比特性的蜂窩結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，其特征在于所述雙穩(wěn)態(tài)柱復(fù)合材料殼桿初始穩(wěn)定狀態(tài)的截面截面半徑為^，柱殼厚度為t ;卷曲穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定曲率半徑為r2= D Jr1ZD12，其中=D1JP D 12為復(fù)合材料薄壁柱殼管的抗彎剛度系數(shù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，其特征在于所述蜂窩胞元結(jié)構(gòu)在成型時，各個連接圓管中心距離滿足d < 4 31 r2+2r2,緊密纏繞時，對應(yīng)兩連接圓管中心距離為D = 2r2+8t0
【專利摘要】一種基于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料可展開柱殼的負泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)，由若干個蜂窩胞元結(jié)構(gòu)交錯排列組成，所述蜂窩胞元結(jié)構(gòu)為由雙穩(wěn)態(tài)柱殼桿和連接圓管構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼蜂窩胞元結(jié)構(gòu)，4根雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼桿的一端連接到與雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料柱殼桿卷曲穩(wěn)定曲率半徑一致的連接圓管上，另一端與另一組胞元的連接圓管連接，形成一種具有負泊松比特性的蜂窩結(jié)構(gòu)。與采用平板支撐的蜂窩胞元結(jié)構(gòu)不同，本發(fā)明采用具有雙穩(wěn)態(tài)特性的復(fù)合材料柱殼桿可提高所成型蜂窩結(jié)構(gòu)的展開支撐剛度，且壓縮時，自動卷曲收縮，避免了采用平板結(jié)構(gòu)時出現(xiàn)的較大范圍屈曲現(xiàn)象，可大幅提高該類結(jié)構(gòu)的負泊松比效應(yīng)和結(jié)構(gòu)剛度，并提升結(jié)構(gòu)的可靠性。
【IPC分類】F16S5/00
【公開號】CN105333296
【申請?zhí)枴緾N201510890024
【發(fā)明人】譚惠豐, 楊留義, 衛(wèi)劍征, 林國昌, 于林, 羅錫林, 沈永正, 陳雪巖
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年12月7日