阅读说明：本技术 一种三维压扭结构 (Three-dimensional pressure twist structure ) 是由 刘海涛 王彦斌 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种三维压扭结构,其几何特征是：通过一种中心对称的六边形胞元紧密排列于一个平面,再将平面弯曲成圆柱面而成；也可以认为是从一个没有顶面和底面的由一定厚度圆柱外壳上不断挖去上述的中心对称的六边形而得到。其胞元是一种较为规则的六边形,而且各胞元之间没有空隙地连接起来,公用了杆件从而使得结构排列得非常紧凑。胞元的高为L-y,宽为L-x,端点两点偏离竖直对称轴的距离为a,偏离与其相邻的两端点连线的距离为b。事实上,可以在不改变胞元在受力时上下杆左右偏移的形变机制的情况下对胞元的形状进行优化,如以曲带直可以减低本结构的等效弹性模量且增加本结构的弹性。本三维压扭结构的压扭效果好,工作稳定。(The invention provides a three-dimensional pressure-torsion structure, which is geometrically characterized in that: the hexagonal cell elements with symmetrical centers are closely arranged on a plane, and then the plane is bent into a cylindrical surface; it can also be considered to be obtained by continuously digging out the above-mentioned centrosymmetric hexagon from a cylinder shell with a certain thickness, which has no top surface and bottom surface. The cells are in a regular hexagonal shape and are connected without gaps between the cells, and the common rods are used to make the structure very compact. Height of cell is L y Width of L x The distance between two points of the end points deviating from the vertical symmetry axis is a, and the distance between two points of the end points deviating from the connecting line of the two adjacent end points is b. In fact, the shape of the cell element can be optimized without changing the deformation mechanism of the cell element when the cell element is stressed, such as reducing the equivalent elastic modulus of the structure and increasing the elasticity of the structure by using a curved belt. The three-dimensional pressure torsion structure has good pressure torsion effect and stable work.)

一种三维压扭结构

技术领域

本发明涉及机械超材料领域，特别是一种三维压扭结构。

背景技术

超材料并不是一种天然材料，而是一种人造结构，通过对机构巧妙的设计赋予其优于普通材料的力学性能，甚至能使其拥有天然材料不存在的力学特性。负泊松比结构，声学隐形结构，手性结构等等都属于超材料的范围。

压扭结构是一种在受到轴向压缩或拉伸时，其横截面会发生扭转的结构，Tobias等在2017年发表在Science上文章提出了一种的三维压扭结构，是通过一种六面体单胞阵列而成的，在轴向受到压力时，由于其三维结构的变形机制，各个单胞相对于旋转中心绕同一个方向旋转，以达到受压扭转的效果。Zhong等在Composite Structures公布了一种基于斜杆将轴向压缩(或张力)转化为扭转的手性机理，用斜杆作为产生压扭效应的一种三维压扭结构。最近提出的新的压扭结构，也大多是基于斜杆而进行设计的。

现有的压扭结构存在的主要问题有：

1)不同的胞元受力产生的线性变化相同，但大多数压扭结构布置方式导致其各胞元距离旋转中心的距离不同，作用效果存在干涉；

2)采用许多独立连杆进行组合，结构设计的优化空间较大；

3)多是二维结构在第三个方向上简单的阵列而成，设计方法较单一而且压扭效果有限。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种三维压扭结构。该结构在受到轴向压缩或拉伸时，其横截面会发生扭转，且设计紧凑，工作稳定。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种三维压扭结构，其几何特征是：通过一种中心对称的六边形胞元紧密排列于一个平面，再将平面弯曲成圆柱面而成。

所述三维压扭结构，也可以认为从一个没有顶面和底面的有一定厚度的圆柱外壳上不断挖去上述中心对称的六边形而得到的。

所述六边形胞元，其几何特征是：在一个能构成矩形的四个点中增加两个关于矩形几何中心中心对称的两个点，再用这六个点构成一个六边形。

附图说明

图1是三维压扭结构的示意图。

图2是三维压扭结构的二维展开图。

图3是三维压扭结构的胞元几何尺寸。

图4是三维压扭结构的变形示意图。

具体实施方式

为能进一步描述发明的发明内容、特点及功能，现例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本发明提供一种三维压扭结构，其几何特征是：通过一种中心对称的六边形胞元紧密排列于一个平面，再将平面弯曲成圆柱面而成；也可以认为是从一个没有顶面和底面的由一定厚度圆柱外壳上不断挖去上述的中心对称的六边形而得到。

如图2所示是本三维压扭结构的二维展开图，可以看到，其胞元是一种较为规则的六边形，而且各胞元之间没有空隙地连接起来，公用了杆件从而使得结构排列得非常紧凑。

如图3所示是本三维压扭结构的胞元的一种几何尺寸，其中胞元的高为L_y，宽为L_x，两端点偏离竖直对称轴的距离为a，偏离与其相邻的两端点连线的距离为b。事实上，可以在不改变胞元在受力时上下杆分别向左右偏移的形变机制的情况下对胞元的形状进行优化，如以曲带直可以减低本结构的等效弹性模量且增加本结构的弹性。

如图4所示是本三维压扭结构的变形示意图，已用有限元分析软件Abaqus对本结构在各种尺寸参数下的变形效果。实验结果表明本结构压扭效果好，工作稳定。

尽管上面结合附图对发明的较好实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。