一种具有负泊松比特性的三维爪形结构及其组合方法
阅读说明：本技术 一种具有负泊松比特性的三维爪形结构及其组合方法 (Three-dimensional claw-shaped structure with negative Poisson ratio characteristic and combination method thereof ) 是由 李方义 陈修杰 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有负泊松比特性的三维爪形结构,包括基本单元,基本单元包括三个螺旋结构单元,螺旋结构单元包括四个弧形杆、四个连接杆；四个弧形杆的一端连接至同一连接点,四个弧形杆间隔90°设置；连接杆的一端与弧形杆的另一端连接；三个螺旋结构单元中,一个螺旋结构单元水平放置,两个螺旋结构单元竖直且重合放置；水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个竖直放置的螺旋结构单元的连接点重合；重合放置的两个螺旋结构单元中,以经过连接点的竖线为转轴,一个螺旋结构单元沿转轴相对于另一个螺旋结构单元旋转90°。本发明还涉及一种具有负泊松比特性的三维爪形结构的组合方法。本发明稳定性好,六个面都能实现负泊松比特性。(The invention relates to a three-dimensional claw-shaped structure with negative Poisson ratio characteristic, which comprises a basic unit, wherein the basic unit comprises three spiral structure units, and each spiral structure unit comprises four arc-shaped rods and four connecting rods; one ends of the four arc-shaped rods are connected to the same connecting point, and the four arc-shaped rods are arranged at intervals of 90 degrees; one end of the connecting rod is connected with the other end of the arc-shaped rod; one of the three spiral structure units is horizontally arranged, and the two spiral structure units are vertically and coincidently arranged; the connecting point of the horizontally placed spiral structure unit is superposed with the connecting points of the two vertically placed spiral structure units; in the two superposed helical structural units, one helical structural unit is rotated by 90 degrees relative to the other helical structural unit along a rotating shaft by taking a vertical line passing through a connecting point as the rotating shaft. The invention also relates to a combination method of the three-dimensional claw-shaped structure with the negative Poisson ratio characteristic. The invention has good stability, and the six surfaces can realize the negative Poisson ratio characteristic.)
技术领域
本发明涉及负泊松比结构技术领域，具体涉及一种具有负泊松比特性的三维爪形结构及其组合方法。
背景技术
泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。负泊松比效应，是指受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀，而受压缩时，材料在弹性范围内横向发生收缩的现象。负泊松比材料相比传统的正泊松比材料(自然界里常见的)而言，由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高，如提高了材料的剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性。
现有的负泊松比结构存在的问题有：1.多数负泊松比结构仍是二维结构，仅能实现一个方向的吸能，吸能效果一般。2.现有负泊松比结构的稳定性较差，抗冲击能力较差。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种稳定性好，六个面都能实现负泊松比特性的具有负泊松比特性的三维爪形结构及其组合方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有负泊松比特性的三维爪形结构，包括多个基本单元，基本单元包括三个螺旋结构单元，螺旋结构单元包括四个弧形杆、四个连接杆；四个弧形杆的一端连接至同一连接点，四个弧形杆间隔90°设置；四个连接杆的一端分别与四个弧形杆的另一端连接，连接杆的另一端向弧形杆外侧延伸；三个螺旋结构单元中，一个螺旋结构单元水平放置，两个螺旋结构单元竖直且重合放置；水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个竖直且重合放置的螺旋结构单元的连接点重合；竖直且重合放置的两个螺旋结构单元中，以经过连接点的竖线为转轴，一个螺旋结构单元沿转轴相对于另一个螺旋结构单元旋转90°设置。
作为一种优选，多个基本单元中，每八个基本单元连接形成立方体框架；立方体框架中，相邻的基本单元之间通过相对应的连接杆的另一端连接；三维爪形结构通过多个立方体框架在水平方向和竖直方向堆叠形成。
作为一种优选，连接杆与弧形杆相切。
作为一种优选，弧形杆为半圆形杆。
作为一种优选，弧形杆和连接杆的横截面均为矩形。
作为一种优选，三维爪形结构通过3D打印一体成型制成。
一种具有负泊松比特性的三维爪形结构的组合方法，包括如下步骤：S1：将一个螺旋结构单元水平放置，两个螺旋结构单元竖直且重合放置；水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个竖直且重合放置的螺旋结构单元的连接点重合；竖直且重合放置的两个螺旋结构单元中，一个螺旋结构单元沿转轴相对于另一个螺旋结构单元旋转90°设置，以形成一个基本单元；S2：将八个基本单元连接形成立方体框架；立方体框架中，相邻的基本单元之间通过相对应的连接杆的另一端连接；S3：将多个立方体框架在水平方向和竖直方向堆叠形成三维爪形结构。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.本发明的三维爪形结构六个面都能实现负泊松比特性；在受到外部载荷压力时，基本单元内部的弧形杆会发生向内回转，拉扯连接杆朝着弧形杆旋转方向进行向内卷曲移动，同时另外三个连接杆之间互相向内拉扯，使得基本单元在垂直于载荷方向的另外两个方向发生横向截面收缩变小，随着基本单元发生变化，基本单元与其在空间相邻固接的基本单元在受载时，单个基本单元受压横截面收缩变小，每个基本单元发生杆件向内回转的同时，它们之间的连接杆相互作用拉扯。整体结构在空间中具有任意面压缩，与其相邻的四个侧面均能同步收缩的特性，且三个方向上的六个面均能够实现压负泊松比特性。
2.本发明稳定性好，抗冲击能力强；三个螺旋结构单元两两正交重叠组成基本单元，三个弧形杆之间两两正交能够提高受载变形后的旋转惯性，还能提高冲击时的稳定性，使得三维爪形结构受载变形过程平稳。本发明的多个基本单元之间两两对称，这种设计使得基本单元压缩变形过程中，与受载平面相邻的四个侧面向内收缩变窄可同步进行，从而可以使得三维爪形结构负泊松比特性更加明显，且降低三维爪形结构在受到较大的压力时剪切变形与压溃的可能性。
3.本发明制造方便；弧形杆和连接杆的厚度、高度均为t(mm)。这种设计一方面能够让该结构获得多个方向的等同性，更方便制造，且使得三维爪形结构的效率大大提高。
4.本发明的组合方法获得的三维爪形结构具有多方位的负泊松比特性，本发明的组合方法是将多个基本单元之间的连接杆端面相互固接，且在水平方向和竖直方向堆叠形成三维爪形结构；其中每个螺旋结构单元大小相同，这能够让每一个截面内的基本单元在冲击过程中能够同步变形，提高横向稳定性、能量吸收效率，提高抗冲击过程的平稳性；且受载变形过程中与受载平面相邻的四个侧面可同步向内发生收缩，具有较大的截面密度，较好的承载能力及吸能效果较好。
5.本发明应用广泛；本发明结构本身镂空，压缩行程长，适合广泛应用与各个相关领域。
附图说明
图1为基本单元的立体图。
图2为基本单元的爆炸视图。
图3为螺旋结构单元的立体图。
图4为螺旋结构单元的结构简图。
图5为立方体框架的立体图。
图6为立方体框架的俯视图。
图7为三维爪形结构的立体图。
图8为三维爪形结构的俯视图。
图9为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0时的应变云图。
图10为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.1时的应变云图。
图11为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.2时的应变云图。
图12为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.4时的应变云图。
图13为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.6时的应变云图。
图14为三维爪形结构在载荷作用下应变值为0.7时的应变云图。
其中，1为螺旋结构单元，2为弧形杆，3为连接杆，4为基本单元，5为立方体框架，6为转轴。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
一种具有负泊松比特性的三维爪形结构，包括多个基本单元，基本单元包括三个螺旋结构单元，螺旋结构单元包括四个弧形杆、四个连接杆；四个弧形杆的一端连接至同一连接点，四个弧形杆间隔90°设置；四个连接杆的一端分别与四个弧形杆的另一端连接，连接杆的另一端向弧形杆外侧延伸；三个螺旋结构单元中，一个螺旋结构单元水平放置，两个螺旋结构单元竖直且重合放置；水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个竖直且重合放置的螺旋结构单元的连接点重合；竖直且重合放置的两个螺旋结构单元中，以经过连接点的竖线为转轴，一个螺旋结构单元沿转轴相对于另一个螺旋结构单元旋转90°设置。
多个基本单元中，每八个基本单元连接形成立方体框架；立方体框架中，相邻的基本单元之间通过相对应的连接杆的另一端连接；三维爪形结构通过多个立方体框架在水平方向和竖直方向堆叠形成。
连接杆与弧形杆相切。
弧形杆为半圆形杆。
弧形杆和连接杆的横截面均为矩形。连接杆为方形直杆。
三维爪形结构通过3D打印一体成型制成。
本实施例中，三维爪形结构为蜂窝结构。
一种具有负泊松比特性的三维爪形结构的组合方法，包括如下步骤：S1：将一个螺旋结构单元水平放置，两个螺旋结构单元竖直且重合放置；水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个竖直且重合放置的螺旋结构单元的连接点重合；竖直且重合放置的两个螺旋结构单元中，一个螺旋结构单元沿转轴相对于另一个螺旋结构单元旋转90°设置，以形成一个基本单元；S2：将八个基本单元连接形成立方体框架；立方体框架中，相邻的基本单元之间通过相对应的连接杆的另一端连接；S3：将多个立方体框架在水平方向和竖直方向堆叠形成三维爪形结构。
立方体框架包含八个基本单元；基本单元包含三个螺旋结构单元，螺旋结构单元包含四个弧形杆和四个连接杆。
螺旋结构单元的组成：四个弧形杆的一端连接至同一连接点，四个弧形杆初始状态重合放置，第一个弧形杆固定，第二个弧形杆以连接点为转动点转动90度，第三个弧形杆以连接点为转动点转动180度，第三个弧形杆以连接点为转动点转动270度，相邻的两个弧形杆间隔90度；四个弧形杆在平面上呈螺旋状；弧形杆为半径为r的半圆弧形杆；以连接点构建直角坐标系，四个弧形杆分别位于直角坐标系的四个象限内，其中，第一象限和第三象限的两个弧形杆连接形成一个“S”形的结构，第二象限和第四象限的两个弧形杆连接形成一个“S”形的结构；四个连接杆的一端分别与四个弧形杆的另一端连接，连接杆与弧形杆相切，连接杆向外延伸。
基本单元的组成：三个螺旋结构单元中，一个螺旋结构单元水平放置，两个螺旋结构单元竖直放置，两个竖直放置的螺旋结构单元重合放置，水平放置的螺旋结构单元的连接点与两个重合放置的螺旋结构单元的连接点重合，重合放置的两个螺旋结构单元中，以经过连接点的竖线为转轴，一个螺旋结构单元沿转轴相对于另一个螺旋结构单元旋转90°。
立方体框架的组成：由八个基本单元连接形成，八个基本单元按立方体框架分布，立方体框架顶端的四个基本单元与底端的四个单元上下对称；相邻的基本单元之间，通过向外延伸的连接杆与另外一个基本单元相对应的连接杆连接。
三维爪形结构的组成：通过多个立方体框架在水平方向和竖直方向堆叠形成；其中立方体框架与立方体框架之间，通个每个平面的基本单元向外延伸的连接杆与另一个立方体框架相对应的连接杆连接。
如图2所示，螺旋结构单元的弧形杆半径为r(mm)，四个连接杆的长度均为L(mm)；与圆弧杆相切的连接杆和轴线所成的角为φ(°)；其中，0＜φ≤90°，φ的角度越小，基本单元压缩向内回转的程度越弱，负泊松比特性越差。
通过建模软件将单元中线向内外各偏置t/2(mm)，同时拉伸高度为t(mm)，可得螺旋结构单元，且为了便于基本单元之间的排列组合，连接杆与弧形杆的交汇处设置为长度t(mm)的直边。
如图9所示，在有限元软件ABAQUS中，建立相应模型进行动力学压缩仿真，并且上面设置为受载面，下底面固定。在建模软件中构建三维爪形结构，令其初始构造参数如下：r＝4mm，φ＝90°，t＝1mm；且赋予的材料为ABS，采用有限元分析软件对三维爪形结构模型进行压缩试验，其变形过程中，三维爪形结构模型的横向向内收缩的现象较为明显，且这种变形是同步进行的；因此三维爪形结构模型在垂直于受载方向的两个方向上均具有负泊松比特性，三维爪形结构在压缩过程中，四周的连接杆挤压推动立方体框架内部弧形杆发生向内旋转，使得内部固接连接杆互相拉扯，从而使得基本单元在多方向上表现出受压向内收缩，横截面变窄的负泊松比特性；这种运动特性依次传递下去，使得三维爪形结构也具有与基本单元所相同的负泊松比特性。在三维爪形结构中，基本单元具有多方向负泊松比特性，整体也具有多方向负泊松比特性，这能够更好地利用负泊松比特性应用于汽车安全设备领域、穿戴设备(类肤)部件、隔音材料、夹芯板。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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