具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

“超材料”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。而“超材料”表现出超常物理性质的关键就在于单胞的设计。对于本发明，单胞设计的关键则是曲梁的设计。经过合理设计的曲梁，当曲梁的中部承受冲击载荷时，具有屈曲阶跃性质的曲梁能起到缓冲吸能的作用，衰减响应峰值，达到减小冲击力，保护重要部件的目的。而通过设计曲梁的弧高与梁厚的比值，可以改变曲梁的稳态性质，曲梁可以设计成单稳态和双稳态。

本实施例以单稳态曲梁为最优实施例，具有屈曲阶跃性质的曲梁在经历一次冲击载荷后，曲梁具有良好回复能力，可以回复到初始构型，便于重复使用。单个曲梁只能对一个方向的冲击载荷进行缓冲吸能，通过对多根曲梁的合理布置，设计出能够对六个方向进行缓冲吸能并且可以回复初始构型的单胞结构。进一步通过单胞结构的周期排布可以构建多胞的超材料结构，多胞超材料结构继承单胞的力学性质，超材料宏观表现出能对六个方向的冲击载荷进行缓冲吸能的能力，并且在外部输入的冲击能量耗散后，超材料具有回复初始构型的能力。

如图1所示，其示出了构成可回复六向缓冲吸能超材料的单胞三维结构示意图。可回复六向缓冲吸能超材料的单胞包括长方体框架1、交叉曲梁2和连接杆3。

其中，长方体框架1为交叉曲梁2提供安装空间，长方体框架1由10根直梁组成；单胞内的交叉曲梁2具有屈曲阶跃的性质，6组交叉曲梁2分别安装在长方体框架1的6个面，交叉曲梁2由两根曲梁2-1组成，每个安装面内布置一组交叉曲梁2，每组交叉曲梁2的端部与长方体框架1固定连接，连接杆3与交叉曲梁2的中部固定连接，长方体框架1相对安装面内布置的交叉曲梁2的弯曲方向一致，相对安装面内布置的两组交叉曲梁2经过平移后可以重合，单胞中两组交叉曲梁2的布置形式能实现同一轴向正负双向缓冲。

如图2所示，其示出了可回复六向缓冲吸能超材料的三维结构示意图。该可回复六向缓冲吸能超材料由多个完全相同的单胞周期排列而成，通过连接杆3依次连接不同单胞的交叉曲梁2中部，使多个周期排布的单胞相互连接形成多胞的超材料结构。本发明中的可回复六向缓冲吸能超材料结构，可以利用3D打印技术(如，FDM工艺、SLS工艺、SLA工艺等)进行打印制造，材料可选用ABS塑料、PLA塑料、尼龙和光敏树脂等延伸率高的常规打印材料。

如图3所示，其示出了3×3×3个单胞形成的可回复六向缓冲吸能超材料三维结构轴测图。每个单胞最多可通过六个连接杆3与周围六个单胞相连。

如图4所示，其示出了单胞的长方体框架1的结构示意图。12根直梁拼接成长方体框架1，共搭建出6个安装面，便于在安装面内布置交叉曲梁2。

如图5所示，其示出了一组交叉曲梁2，交叉曲梁2由两根曲梁2-1交叉构成。

如图6所示，其示出了组成交叉曲梁2的单根曲梁2-1。本发明中曲梁2-1的结构设计是单胞性能设计的关键。图6中单根曲梁2-1的弧高h与梁厚t的比值为Q，在本实施例中Q≤2.31时，曲梁2-1为单稳态，当Q＞2.31时，曲梁2-1为双稳态，其中，l为曲梁2-1的有效跨度，b为曲梁的面外厚度，曲梁2-1的跨度l和面外厚度b不会影响曲梁2-1的稳态性质，h为曲梁2-1的弧高，t表示曲梁2-1的面内厚度。

本实施例中，单个曲梁的具体结构参数为厚度t＝0.5mm，弧高h＝1.15mm，梁的有效跨度1＝23.5mm，曲梁的面外厚度b＝2mm，弧高与梁厚的比值Q＝2.3。

本发明实施例中，突破传统缓冲吸能设计的局限，创新地使用具有屈曲阶跃性质的交叉曲梁，并通过对单胞结构的合理设计，成功构造出具有六向缓冲吸能能力且具有重复使用性能的多胞超材料结构。理论上单胞结构一个轴向方向的变形，并不会影响其他方向的变形，即设计的单胞具有超弹性材料的特点。由单胞构成的多胞超材料结构也继承了单胞的力学性质，具有超弹性材料的特点，多胞超材料结构一个方向受力加载时，并不会引起其它方向的变形。

下面详细说明基于交叉曲梁2设计的一种可回复六向缓冲吸能超材料的具体步骤：

S1：给定单胞的长方体框架1及其几何尺寸，长方体框架1提供用于安装交叉曲梁2的安装面；

S2：根据公式绘制曲梁2-1的结构形状，Q表示曲梁2-1的弧高h与曲梁2-1的面内厚度t的比值；当Q大于2.31时，设计的单根曲梁2-1为双稳态，当Q小于2.31时，设计的曲梁2-1为单稳态；

其中，是曲梁2-1中心线上任意一点与曲梁2-1两端点确定水平线的最短长度，h是曲梁2-1的弧高，x是指在曲梁2-1两个端点的连线上距离一个端点的距离，l是曲梁2-1的跨度；l通过长方体框架1的几何尺寸确定；

S3：根据公式估算曲梁2-1的作用力阈值，建立曲梁2-1作用力阈值与曲梁2-1结构参数(I，h和l)之间的关系，

其中，f_top为曲梁2-1的作用力阈值，E为材料的弹性模量，I为单根曲梁的惯性矩，两根曲梁2-1交叉布置构成交叉曲梁2；

S4：构建单胞，交叉曲梁2-1安装在长方体框架1提供的6个安装面内，单胞的长方体框架1中，长方体框架1相对的安装面内布置的交叉曲梁2的弯曲方向一致；

S5：构建超材料，通过连接杆3依次连接不同单胞交叉曲梁2的中部，使多个单胞连接形成多胞的超材料结构，利用3D打印技术进行超材料的加工，以单胞中三条相互垂直的边分别作为x，y，z三个轴，则设计加工的超材料在±x，±y，±z六个方向中任意一个方向的最大作用力阈值通过公式F_t＝2n₁f_top得到，n₁为指定方向中并联的单胞个数，F_t就是估算的超材料在±x，±y，±z六个方向中任意一个方向的宏观作用力阈值。

如图7所示，其示出了曲梁在位移载荷作用下的刚度-位移曲线图。仿真计算中，采用图5所示的交叉曲梁2，固定约束交叉曲梁2的两端，并在交叉曲梁2的中部施加2.6mm的位移载荷，得到交叉曲梁2的刚度-位移变化曲线如图6所示，可以看到曲梁2-1在静载作用下的刚度分三段变化，曲梁2-1在初始加载时的刚度是正值，随着位移载荷的增大出现负刚度段，最后随着位移载荷的进一步增大，刚度转为正值，出现正刚度段，曲梁2-1具有的负刚度段使其具有良好的缓冲性能。

如图8所示，其示出了单胞的一个安装面内布置的交叉曲梁2在标准半正弦波冲击载荷作用下的加速度-时间响应曲线。仿真计算中，在交叉曲梁2的端部总共添加0.06kg质量点，并在交叉曲梁2的中部施加幅值为40m/s²的标准半正弦波，提取仿真结果中经过一组交叉曲梁2缓冲后的输出加速度。图8中实线表示施加的幅值为40m/s²的标准半正弦波，虚线表示输入的冲击载荷经过单胞中一组交叉曲梁2衰减后输出的加速度响应曲线，从图8中输出的加速度响应曲线相比输入的加速度曲线，响应曲线中首次出现的冲击峰值明显减小，冲击传递率几乎达到0.5，但是随后反向出现了一个放大的冲击峰值，这表明一个安装面内布置的曲梁2只能对一个方向的冲击载荷进行缓冲。本实施例中所有安装面内的曲梁2具有相同的性质，此外仿真计算中的材料为尼龙，由于冲击载荷的作用时间很短，在此不考虑材料的阻尼。

如图9所示，其示出了单胞的相对安装面内布置的两组交叉曲梁2在标准半正弦波冲击载荷作用下的加速度-时间响应曲线。仿真计算中，在交叉曲梁2的端部总共添加0.06kg质量点，并在交叉曲梁2的中部施加幅值为40m/s²的标准半正弦波，提取仿真结果中输出端的响应加速度。图9中实线表示施加的幅值为4×104mm/s²的标准半正弦波，虚线表示输入的冲击载荷在经过单胞的相对安装面内布置的两组交叉曲梁2衰减后输出的响应加速度曲线，从图9中得出输出的响应加速度曲线相比于输入的加速度曲线，输出的加速度峰值明显减小，冲击传递率几乎达到0.5，这表明通过单胞相对安装面内布置的两组交叉曲梁2能实现双向缓冲。本实施例中单胞各个轴向布置的曲梁都具有屈曲阶跃性质，各个轴向中交叉曲梁的布置形式相同，因此单胞各个轴向都具有双向缓冲的能力。此外，仿真计算中的材料为尼龙，由于冲击载荷的作用时间很短，在此不考虑材料的阻尼。

本发明实施例中，基于超材料来实现可回复六向缓冲吸能，涉及到的结构简单，容易加工，可以直接利用3D打印技术进行制造，相关步骤基本上由机器完成，可以大批量生产。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。