阅读说明：本技术 一种具有负泊松比效应的护具及其设计方法 (Protective clothing with negative Poisson ratio effect and design method thereof ) 是由 任鑫 罗荟琛 王仕龙 于 2019-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有负泊松比效应的护具及其设计方法,包括护圈部分和衬垫的结构设计。护圈部分具有周期的孔洞结构。护具衬垫由内凹蜂窝结构构成,并且内凹蜂窝胞元的上下壁具有周期性的孔洞结构。本发明通过护圈部分的设计可以起到穿戴舒适的效果,减小对腿部或者手臂的作用力,护圈受到拉力会往外扩张方便使用者穿脱。通过衬垫的结构设计,可以提高衬垫的抗压性能,并且使其很好地贴合身体,减小使用者活动时造成的影响。在增加护具保护面积的同时,简化了制造工艺并使护具整体保持良好的曲面同向性和穿戴的舒适性。(The invention discloses a protector with a negative Poisson ratio effect and a design method thereof. The retainer portion has a periodic hole pattern. The pad of the protective tool is composed of an inwards concave honeycomb structure, and the upper wall and the lower wall of the inwards concave honeycomb cell are provided with periodic hole structures. The protective ring can achieve the effect of comfortable wearing through the design of the protective ring part, the acting force on legs or arms is reduced, and the protective ring can be expanded outwards under the action of tensile force, so that a user can conveniently put on and take off the protective ring. Through the structural design of the liner, the pressure resistance of the liner can be improved, the liner can be well attached to the body, and the influence caused by the movement of a user is reduced. The protective clothing has the advantages that the protective clothing protection area is increased, the manufacturing process is simplified, and the protective clothing integrally keeps good curved surface isotropy and wearing comfort.)

一种具有负泊松比效应的护具及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种通过设计具有负泊松比穿孔结构来设计具有负泊松比效应的护具，并提出了负泊松比护具的设计方法，属于新材料和新结构领域。

背景技术

护具是一种常见的运动产品。传统的护具护圈部分由弹性的纺织材料构成，比较紧绷，张力较大，对于体型偏胖的使用者穿戴极为不便，穿戴时用力地拉扯会造成对护具的损坏。戴在手臂或者腿部的时间过长，使用者也会感觉非常不适。护具的衬垫面积或者厚度过大会影响使用者手臂或者腿部的行动。

负泊松比材料和结构具有特殊的力学特性，其在单轴压力(拉力)作用下发生横向收缩(膨胀)。穿孔板结构是负泊松比结构重要的一类，通过对薄片结构设置不同形状和分布的切孔，可以得到不同微结构的穿孔板结构，其二维材料在拉伸和压缩时可表现出负泊松比行为。穿孔板结构具有很大的灵活性，而不规则分布的穿孔、多级穿孔设置等设计赋予了穿孔板结构更多的设计灵活性。

本发明将负泊松比结构和3D打印技术相结合，设计出具有负泊松比效应的护具，护圈在轴向受拉以及衬垫在受压和受弯的情况下可以分别表现出负泊松比变形性能。通过护圈部分的设计可以起到穿戴舒适的效果，减小对腿部或者手臂的作用力，护圈受到拉力会往外扩张方便使用者穿脱。通过衬垫的结构设计，可以提高衬垫的抗压性能，并且让衬垫具备良好的曲面同向性，使用者活动时，衬垫能够很好地贴合身体，减小衬垫因面积或者厚度较大带来的影响。

发明内容

本发明的目的是针对现有护具的不足，利用负泊松比材料和负泊松比结构制造一种护具，并提出了具体的设计方法。护具的护圈部分受到拉力时会向外扩张，从而便于使用者穿脱。护圈多孔的结构也会提高使用者穿戴的舒适性。衬垫具有曲面同向性，使用者弯曲手臂或腿部时，衬垫不会对使用者造成干扰。

本发明采用的技术方案是：一种具有负泊松比效应的护具，包括具有负泊松比效应的护圈和衬垫，所述护圈为圆柱形，所述衬垫的横截面为圆弧形，衬垫套设在护圈的外面；

所述护圈具有周期性横竖交替的孔洞结构；

所述衬垫由具有周期性的内凹蜂窝结构组成，并且内凹蜂窝胞元的上下壁具有周期性横竖交替的孔洞结构；

所述护圈的纵向长度L1与衬垫的纵向长度L2的关系满足：0.87≥L2/L1≥0.67；

所述护圈的厚度T1满足：3mm≥T1≥1mm；

所述衬垫的厚度T2满足：20mm≥T2≥8mm；

所述护圈横截面的半径R满足：80mm≥R≥55mm；

所述衬垫横截面的圆弧弧度θ满足：200°≥θ≥120°。

作为优选，所述护圈和衬垫的孔洞结构的孔洞形状为椭圆形、多边形或旋转正方形。

上述一种具有负泊松比效应的护具的设计方法，包括以下步骤：

1)根据使用者腿部或者手臂的尺寸，确定护具各组成部分的形状和尺寸，包括护圈厚度T1、长度L1、横截面半径R，衬垫的厚度T2、长度L2以及衬垫横截面的圆弧弧度θ；

2)设计护具护圈部分具有周期性横竖交替的孔洞结构，并使护圈在满足3D打印要求的情况下，尽量减小孔洞的间距，在确定尺寸后选用TPU、PLA或PVA为基材进行3D打印制造；

3)设计护具衬垫部分为具有周期性重复的内凹蜂窝结构，并在内凹蜂窝胞元的上下壁设计周期性横竖交替的孔洞结构，在确定尺寸后选用TPU、PLA或PVA为基材进行3D打印制造；

4)用纺织材料将护圈部分和衬垫缝制在内，制成具有负泊松比效应的护具。

本发明其产生负泊松比效应的关键在于护具护圈以及衬垫的结构设计。在满足3D打印制作要求的情况下，保证横竖交替的孔状结构足够小，使护圈和衬垫具有负泊松比效应，从而使得护具整体也具有负泊松比效应。通过该方法所设计出的护具具有明显的负泊松比效应，同时能在大的应变范围内维持负泊松比性能。此外，所设计的负泊松比护具不仅能在轴向拉伸下表现出负泊松比性能，在弯曲作用下也能表现负泊松比性能。

有益效果：本发明设计出的护具具有较大的负泊松比效应且能同时在轴向拉伸弯曲下表现出负泊松比效应。在拉伸作用下护圈部分产生拉胀效应，方便使用者穿戴，避免对护具造成损伤。在增加护具保护面积的同时，简化了制造工艺并使护具整体保持良好的曲面同向性和穿戴的舒适性。

附图说明

图1为本发明具有负泊松比效应的护具整体结构图；

图2为本发明衬垫具有的内凹蜂窝胞元的结构示意图；

图3为本发明具有负泊松比效应的护具正视图；

图4为本发明护具有负泊松比效应的护具俯视图；

图5为本发明护圈的结构示意图；

图6为本发明衬垫的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步描述：

如图1-6所示，一种具有负泊松比效应的护具，包括具有负泊松比效应的护圈1和衬垫2，所述护圈1为圆柱形，所述衬垫2的横截面为圆弧形，衬垫2套设在护圈1的外面；

所述护圈1具有周期性横竖交替的孔洞结构；

所述衬垫2由具有周期性的内凹蜂窝结构组成，并且内凹蜂窝胞元的上下壁具有周期性横竖交替的孔洞结构；所述护圈1和衬垫2的孔洞结构的孔洞形状为椭圆形、多边形或旋转正方形；

所述护圈1的纵向长度L1与衬垫的纵向长度L2的关系满足：0.87≥L2/L1≥0.67；

所述护圈1的厚度T1满足：3mm≥T1≥1mm；

所述衬垫2的厚度T2满足：20mm≥T2≥8mm；

所述护圈1横截面的半径R满足：80mm≥R≥55mm；

所述衬垫2横截面的圆弧弧度θ满足：200°≥θ≥120°。

上述一种具有负泊松比效应的护具的设计方法，包括以下步骤：

1)根据使用者腿部或者手臂的尺寸，确定护具各组成部分的形状和尺寸，包括护圈厚度T1、长度L1、横截面半径R，衬垫的厚度T2、长度L2以及衬垫横截面的圆弧弧度θ；

2)设计护具护圈部分具有周期性横竖交替的孔洞结构，并使护圈在满足3D打印要求的情况下，尽量减小孔洞的间距，在确定尺寸后选用TPU、PLA或PVA为基材进行3D打印制造；

3)设计护具衬垫部分为具有周期性重复的内凹蜂窝结构，并在内凹蜂窝胞元的上下壁设计周期性横竖交替的孔洞结构，在确定尺寸后选用TPU、PLA或PVA为基材进行3D打印制造；

4)用纺织材料将护圈部分和衬垫缝制在内，制成具有负泊松比效应的护具。

本发明方法制造的护具在护圈部分受到拉力时产生拉胀效应护圈往外扩张，更加便于使用者穿戴或者脱下，避免由于用力拉扯从而造成对护具本身的损坏。护圈多孔的结构也可以让使用者穿戴时更加舒适，减小护圈对腿部或者手臂的作用力。在简化制造工艺的同时，可以增加护具的保护面积和厚度。在使用者弯曲手臂或者腿部时，衬垫因具有曲面同向性可以很好地与人体贴合。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本事例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。