阅读说明：本技术 一种双箭头型负泊松比结构体 (Double-arrow type negative Poisson ratio structure body ) 是由 王剑锋 杨娜 李卫华 刘逸群 赵汗青 于 2019-08-06 设计创作，主要内容包括：一种双箭头型负泊松比结构体,涉及空间点阵结构的结构体领域,包括双箭头型负泊松比结构单元,双箭头型负泊松比结构单元包括上横梁、下横梁、第一上斜撑杆、第二上斜撑杆、第一下斜撑杆、第二下斜撑杆、第一中斜撑杆和第二中斜撑杆,第一上斜撑杆、第二上斜撑杆、第一下斜撑杆和第二下斜撑杆的下端分别设有第一上连接座、第二上连接座、第一下连接座和第二下连接座,形成双箭头型负泊松比结构单元；双箭头型负泊松比结构单元在空间上以第一上连接座、第二上连接座、第一下连接座、第二下连接座上横梁和下横梁为连接件组合连接为立体结构的双箭头型负泊松比结构体。具有结构简单、稳定性高,单位空间内质量小,抗压和抗冲击能力强等优点。(A double-arrow negative Poisson ratio structural body relates to the field of structural bodies of space lattice structures and comprises a double-arrow negative Poisson ratio structural unit, wherein the double-arrow negative Poisson ratio structural unit comprises an upper cross beam, a lower cross beam, a first upper inclined stay bar, a second upper inclined stay bar, a first lower inclined stay bar, a second lower inclined stay bar, a first middle inclined stay bar and a second middle inclined stay bar, and the lower ends of the first upper inclined stay bar, the second upper inclined stay bar, the first lower inclined stay bar and the second lower inclined stay bar are respectively provided with a first upper connecting seat, a second upper connecting seat, a first lower connecting seat and a second lower connecting seat to form a double-arrow negative Poisson ratio structural unit; the double-arrow-shaped negative Poisson ratio structure unit is a double-arrow-shaped negative Poisson ratio structure body which is in a three-dimensional structure and is formed by combining and connecting a first upper connecting seat, a second upper connecting seat, a first lower connecting seat, a second lower connecting seat upper cross beam and a lower cross beam in space by using a connecting piece. The device has the advantages of simple structure, high stability, small mass in unit space, strong compression resistance and impact resistance and the like.)

一种双箭头型负泊松比结构体

技术领域

本发明涉及空间点阵结构的结构体领域，尤其涉及空间点阵结构的设计及组装工艺，具体说是一种结构简单、稳定性高，单位空间内质量（密度）小，抗压和抗冲击能力强的双箭头型负泊松比结构体。

背景技术

我们知道，点阵结构是一种新型的轻质结构，与传统的泡沫、蜂窝结构相比，具有更高的比强度、比刚度，并且芯子内部有较大的孔隙率，使得其在多功能结构应用方面有更广阔的前景。而负泊松比结构由于具有优异的力学性能、良好的能量吸收能力，在汽车工业设计中具有广泛应用前景，可应用于结构设计中来提高零件的性能和进行轻量化设计。

空间点阵结构是一种新型层合板结构，也是一种轻量化的车身结构。研究空间点阵结构的力学特性，并根据相关的实验数据建立模型，对于汽车轻量化具有重要的意义。

负泊松比结构由于其在受到轴向压缩时横向产生收缩的特性，使其具有独特的力学性能如在外力冲击下更好的吸能特性。国家知识产权局2014年2月12日公布了一件名称为一种负泊松比结构部件，申请号为：201310566039.5的发明专利申请，该专利公开了使用负泊松比结构的抗冲击或缓冲件，但该种结构的抗冲击或缓冲件存在结构稳定性差，抗压能力和抗冲击能力差的缺点；而双箭头型负泊松比结构存在制造方法复杂、成本较高，限制了对于该结构的实际使用及实验研究。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种具有优异的冲击吸能特性、抗压能力和抗冲击能力强，制造方法简单、成本低廉，现实点阵结构轻量化的双箭头型负泊松比结构体。

本发明解决现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种双箭头型负泊松比结构体，其特征在于，包括双箭头型负泊松比结构单元，双箭头型负泊松比结构单元包括上横梁和下横梁，上横梁两端分别设有向下倾斜的第一上斜撑杆和第二上斜撑杆，上横梁与第一上斜撑杆、第二上斜撑杆组成上箭头，下横梁两端分别设有向下倾斜的第一下斜撑杆和第二下斜撑杆，下横梁与第一下斜撑杆、第二下斜撑杆组成下箭头，上横梁两端分别与第一下斜撑杆和第二下斜撑杆的下端间设有第一中斜撑杆和第二中斜撑杆，第一上斜撑杆、第二上斜撑杆、第一下斜撑杆和第二下斜撑杆的下端分别设有第一上连接座、第二上连接座、第一下连接座和第二下连接座，形成双箭头型负泊松比结构单元；

至少两个双箭头型负泊松比结构单元在第一方向上以相邻两个双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接、第一下连接座和第二下连接座固定连接的方式连接为第一结构组件；

至少两个第一结构组件沿第二方向相互平行的设置，第二方向上（相邻的两个第一结构组件的）相邻两个双箭头型负泊松比结构单元间设有一个第三方向设置的双箭头型负泊松比结构单元，第三方向设置的双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧中部与下横梁下侧中部分别与在第二方向上的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的下横梁上侧中部和下横梁下侧中部固定连接，形成第二结构组件；

至少两个第二结构组件在第三方向上以第三方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接、第一下连接座和第二下连接座固定连接的方式连接为双箭头型负泊松比结构体。

本发明所述的第二结构组件中，第二方向上最上方或最下方的双箭头型负泊松比结构单元上方或下方设有一个第三方向设置的双箭头型负泊松比结构单元，该第三方向设置的双箭头型负泊松比结构单元的下横梁下侧中部或上横梁上侧中部与相邻的第二方向上的双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧中部或下横梁下侧中部固定连接。

所述的双箭头型负泊松比结构体中第一方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接处的上方设有第三方向设置的加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元，加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元的下横梁下侧中部与上述的第一上连接座与第二上连接座固定连接处固定连接；当加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元上方有第一方向设置的双箭头型负泊松比结构单元时，加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧中部与其上方的第一方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一下连接座与第二下连接座固定连接处固定连接；双箭头型负泊松比结构体中第三方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接处的上方设有第一方向设置的加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元，加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元的下横梁下侧中部与上述的第一上连接座与第二上连接座固定连接处固定连接；当加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元上方有第三方向设置的双箭头型负泊松比结构单元时，加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧中部与其上方的第三方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一下连接座与第二下连接座固定连接处固定连接。相邻的两个加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接、第一下连接座与第二下连接座固定连接；相邻的两个加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接、第一下连接座与第二下连接座固定连接；相邻的两个加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元的连接处和与其交叉的相邻的两个加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元的连接处固定连接。。加设加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元和加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元后，双箭头型负泊松比结构体在和原来相同的体积、相同质量的情况下，增加胞元的数量，提高结构的稳定性，变形大大减少，结构更加稳定，抗冲击性能更好；提高了强度和刚度，更加安全稳定。

本发明中所述双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧中部和下横梁下侧中部分别设有可将上横梁和下横梁相互交叉插接嵌合的上卡接槽和下卡接槽；所述的第一上连接座与第二上连接座固定连接后呈倒置的下横梁状、第一下连接座和第二下连接座固定连接后呈倒置的上横梁状；双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座和第二上连接座的外端上侧设有连接缺口、第一下连接座和第二下连接座的外端下侧设有连接缺口，第一上连接座与第二上连接座固定连接后其连接缺口组合成可与上卡接槽和下卡接槽相互交叉插接嵌合的卡接槽。组装连接更便捷、稳固，制造简单方便、降低成本。

本发明中所述的双箭头型负泊松比结构单元中，上横梁和下横梁的高度相同；第一上斜撑杆和第二上斜撑杆分别与第一下斜撑杆和第二下斜撑杆平行；上横梁长度为N，上横梁上端面与第一下连接座下端面间的垂直距离为双箭头型负泊松比结构单元的高度为H，第一中斜撑杆与垂直方向的夹角为，第一下斜撑杆与垂直方向的夹角为；第一下连接座和第二下连接座（左右）两端面间的距离为双箭头型负泊松比结构单元的宽度（跨度）L， 其中，N：L=1:6-10，为30度-60度，为40度-70度；优选40度-50度，优选55度-65度。

本发明通过改变双箭头型负泊松比结构单元的结构，使双箭头型负泊松比结构体变为组装式，使点阵结构的设计具有灵活性和可操作性，结构拆装方便，同时简化整体设计的过程。本发明的双箭头型负泊松比结构体具有变刚度特性，结构的刚度将随着外力的作用而变的越来越大，抵抗变形的能力也越来越强；双箭头型负泊松比结构单元的结构在保证性能的前提下减少了间隙，减小点阵结构的相对密度，减轻重量，实现轻量化。本发明具有优异的冲击吸能特性、抗压能力和抗冲击能力强，制造方法简单、成本低廉，可现实点阵结构轻量化等优点。

附图说明

图1是本发明中双箭头型负泊松比结构单元的结构示意图。

图2是本发明中双箭头型负泊松比结构单元的立体结构示意图。

图3是本发明中双箭头型负泊松比结构体的立体结构示意图。

图4是本发明中双箭头型负泊松比结构体的俯视结构示意图。

图5是本发明中双箭头型负泊松比结构体中加入了加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元和加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元后的立体结构示意图。

图6是本发明中双箭头型负泊松比结构体中加入了加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元和加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元后的俯视结构示意图。

图7是本发明连接上连接板和下连接板后制成层合板的结构示意图。

具体实施方式

如图3、图4所示的双箭头型负泊松比结构体，包括如图1、图2所示的双箭头型负泊松比结构单元，双箭头型负泊松比结构单元包括相互平行设置的上横梁8和下横梁9，上横梁8左右两端分别设有分别向（左右）下方倾斜的第一上斜撑杆4和第二上斜撑杆10，上横梁8与第一上斜撑4杆、第二上斜撑杆10组成上端为上横梁的上箭头，下横梁9左右两端分别设有向（左右）下方倾斜的第一下斜撑杆6和第二下斜撑杆12，下横梁9与第一下斜撑杆6、第二下斜撑杆12组成上端为下横梁的下箭头，上横梁8两端分别经第一中斜撑杆5和第二中斜撑杆11与第一下斜撑杆6和第二下斜撑杆12的下端固定连接，第一上斜撑杆4、第二上斜撑杆10、第一下斜撑杆6和第二下斜撑杆12的下端分别设有水平的第一上连接座2、第二上连接座13、第一下连接座3和第二下连接座14，形成双箭头型负泊松比结构单元。

如图3、图4所示的为使用了16个双箭头型负泊松比结构单元搭建而成的最简双箭头型负泊松比结构体，其具体结构为： 两个双箭头型负泊松比结构单元在第一方向（X向、左右方向）上以相邻两个双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接、第一下连接座和第二下连接座固定连接的方式连接为第一结构组件；两个第一结构组件沿第二方向（Y向、上下方向）相互平行的设置，第二方向上相邻的两个第一结构组件的相邻两个双箭头型负泊松比结构单元间设有一个第三方向（Z向、前后方向）设置的双箭头型负泊松比结构单元，第三方向（Z向）设置的双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧中部与下横梁下侧中部分别与在第二方向上（相邻的两个第一结构组件的）相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的下横梁上侧中部和下横梁下侧中部固定连接，第二方向（Y向）上最上方的（第一结构组件的）双箭头型负泊松比结构单元上方设有一个第三方向（Z向）设置的双箭头型负泊松比结构单元，该第三方向（Z向）设置的双箭头型负泊松比结构单元的下横梁下侧中部与相邻的第二方向上的双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧中部固定连接；形成第二结构组件。两个第二结构组件在第三方向（Z向）上平行并列设置、以第三方向（Z向）设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接、第一下连接座与第二下连接座固定连接，制成最小单元的双箭头型负泊松比结构体。在最小单元的双箭头型负泊松比结构体四周及上下按如上连接方式增设双箭头型负泊松比结构单元，即可获得不同目标规格的双箭头型负泊松比结构体。

本发明进一步改进，在图3、图4所示的双箭头型负泊松比结构体中第一方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接处的上方设有第三方向（双箭头型负泊松比结构单元上下倒置）设置的加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元，加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元的下横梁下侧（或上横梁上侧）中部与上述（第一方向设置的相邻两个双箭头型负泊松比结构单元）的第一上连接座与第二上连接座固定连接处固定连接；当加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元上方有第一方向设置的（两个第一上连接座与第二上连接座固定连接的）双箭头型负泊松比结构单元时，加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧（或下横梁下侧）中部与其上方的第一方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一下连接座与第二下连接座固定连接处固定连接；双箭头型负泊松比结构体中第三方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接处的上方设有第一方向（双箭头型负泊松比结构单元上下倒置）设置的加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元，加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元的下横梁下侧（或上横梁上侧）中部与上述（第三方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元）的第一上连接座与第二上连接座固定连接处固定连接；当加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元上方有第三方向设置的（两个第一上连接座与第二上连接座固定连接的）双箭头型负泊松比结构单元时，加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧（下横梁下侧）中部与其上方的第三方向设置的相邻的两个双箭头型负泊松比结构单元的第一下连接座与第二下连接座固定连接处固定连接。相邻的两个加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接、第一下连接座与第二下连接座固定连接；相邻的两个加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座与第二上连接座固定连接、第一下连接座与第二下连接座固定连接；相邻的两个加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元的连接处和与其交叉的相邻的两个加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元的连接处固定连接。从图1-图6中可以看出，所述的双箭头型负泊松比结构单元的上横梁上侧中部和下横梁下侧中部分别设有可将（一个双箭头型负泊松比结构单元的）上横梁和（另一个双箭头型负泊松比结构单元的）下横梁相互（十字）交叉插接嵌合卡接的上卡接槽7和下卡接槽16；所述的（相邻两个双箭头型负泊松比结构单元的）第一上连接座与第二上连接座固定连接后呈倒置的下横梁状、第一下连接座和第二下连接座固定连接后呈倒置的上横梁状；双箭头型负泊松比结构单元的第一上连接座和第二上连接座的外端上侧设有上连接缺口1、第一下连接座和第二下连接座的外端下侧设有下连接缺口15，（相邻两个双箭头型负泊松比结构单元的）第一上连接座与第二上连接座固定连接后其上连接缺口组合成可与上卡接槽7和下卡接槽16及两个卡接槽间相互（十字）交叉插接嵌合卡接的卡接槽；（相邻两个双箭头型负泊松比结构单元的）第一下连接座与第二下连接座固定连接后其下连接缺口组合成可与上卡接槽7和下卡接槽16及两个卡接槽间相互（十字）交叉插接嵌合卡接的卡接槽。如图5、图6所示的双箭头型负泊松比结构体即为在图3、图4所示的双箭头型负泊松比结构体中增加了加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元和加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元后的双箭头型负泊松比结构体；其中加强用第三方向双箭头型负泊松比结构单元和加强用第一方向双箭头型负泊松比结构单元均是上下倒置设置的双箭头型负泊松比结构单元，上下倒置设置的双箭头型负泊松比结构单元的上卡接槽7与其下方的、相对的两个上连接缺口组成的卡接槽卡接配合，下卡接槽16与其上方的、相对的两个下连接缺口组成的卡接槽卡接配合或悬空。上卡接槽、下卡接槽、上连接缺口和下连接缺口的设置，不仅使组装连接更便捷、稳固，制造简单方便、降低成本，且在保持性能的前提下，降低了双箭头型负泊松比结构体的整体高度，上卡接槽、下卡接槽与上连接缺口和下连接缺口组成的卡接槽的连接处结构强度不变。本发明中所述的固定连接为粘接、焊接或经凸凹结构卡接。

本发明中所述的双箭头型负泊松比结构单元（为以上横梁和下横梁的垂直中线对称的结构）中，上横梁和下横梁的（上下方向）的高度相同，(第一上连接座与第二上连接座固定连接后的形状和尺寸与倒置的下横梁相同，第一下连接座与第二下连接座固定连接后的形状和尺寸与倒置的上横梁相同)；第一上斜撑杆和第二上斜撑杆分别与第一下斜撑杆和第二下斜撑杆平行；上横梁长度为N，上横梁上端面与第一下连接座（或第二下连接座）下端面间的垂直距离为双箭头型负泊松比结构单元的高度为H，第一中斜撑杆（和第二中斜撑杆）与垂直（上下）方向的夹角为，第一下斜撑杆（和第二下斜撑杆）与垂直（上下）方向的夹角为；第一下连接座和第二下连接座（左右）两端面间的距离为双箭头型负泊松比结构单元的宽度（跨度）L， 其中，N：L=1:6-10，为30度-60度，为40度-70度；优选40度-50度，优选55度-65度。

选用图3、图4所示的双箭头型负泊松比结构体和图5、图6所示的双箭头型负泊松比结构体进行仿真实验，嵌入前为图3、图4所示的双箭头型负泊松比结构体的实验数据，嵌入后为图5、图6所示的双箭头型负泊松比结构体的实验数据，具体实验如下：

（1）在双箭头型负泊松比结构体的上下两侧设置面板，如图7所示，两者所加面板相同。

（2）在以下仿真中，面板材料为结构钢，双箭头型负泊松比结构体材料为6061铝合金。

（3）两种双箭头型负泊松比结构体的质量相同。图5、图6所示的双箭头型负泊松比结构体的双箭头型负泊松比结构单元的个数增多，但其厚度变小，来实现两种双箭头型负泊松比结构体的质量相同。

（4）对两种双箭头型负泊松比结构体的一侧面板增加相同数值的压强，另一侧添加固定约束，进行仿真。

表1两种双箭头型负泊松比结构体受力分析对比表

图5、图6所示的双箭头型负泊松比结构体在和图3、图4所示的双箭头型负泊松比结构体相同的体积、相同质量的情况下，即在相对密度相同的情况下，增加双箭头型负泊松比结构单元的数量，使双箭头型负泊松比结构体与面板的连接面积增大，提高结构的稳定性。如表1所示，在受到相同作用力的情况下，图5、图6所示的双箭头型负泊松比结构体比图3、图4所示的双箭头型负泊松比结构体的结构变形减少了13%、且变形最大值为面板边缘处，此处发生变形的原因是因为面板边缘没有支撑，此外，双箭头型负泊松比结构体内部变形较小、吸能更强；图3、图4所示的双箭头型负泊松比结构体的最大变形不仅发生在了面板边缘还发生在双箭头型负泊松比结构体内部。因此，图5、图6所示的双箭头型负泊松比结构体结构更加稳定，抗冲击性能更好。等效弹性应变和等效应力均为根据第四强度理论计算出的值，即Von-Mises应力应变。当给定材料的许可应力应变时，等效弹性应变和等效应力越小，说明结构越安全，强度越高，可承载能力越强。图5、图6所示的双箭头型负泊松比结构体的等效弹性应变约为图3、图4所示的双箭头型负泊松比结构体的47.8%，等效应力约为68.5%；图5、图6所示的双箭头型负泊松比结构体提高了结构体整体的强度和刚度，使结构在承受相同载荷的情况下，结构更加安全稳定。

本发明与现有技术相比，主要有以下的优点：

1.相比整体点阵结构，通过改双箭头型负泊松比结构单元的结构，双箭头型负泊松比结构体变为组装式，使点阵结构的设计具有灵活性和可操作性，结构拆装方便，同时简化整体设计的过程。

2.基于离散化方法，通过设计双箭头型负泊松比结构单元来研究点阵结构的力学性能，在得到双箭头型负泊松比结构单元的应变应力的基础上，根据宏观结构将应力应变换算到整体，得到点阵结构的力学性能。

3.嵌锁组装技术相对于目前点阵结构用复合材料为基材的3D打印技术而言成本较低，且由于可以采用金属材料所以制得的双箭头型负泊松比结构单元强度更高。

4.在连接工艺过程中，通过槽与槽的连接。保护了点阵结构的完整性和连续性，更有利于抵抗变形。

5.负泊松比结构具有变刚度特性，结构的刚度将随着外力的作用而变的越来越大，抵抗变形的能力也越来越强。

6. 双箭头型负泊松比结构单元的具体结构在保证性能的前提下减少了间隙，减小点阵结构的相对密度，减轻重量，实现轻量化。