一种可回复六向缓冲吸能超材料及其设计方法与流程

本发明涉及超材料技术领域，特别是涉及一种可回复六向缓冲吸能超材料及其设计方法。

背景技术：

“超材料”指的是一些具有人工设计的结构并呈现天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。“超材料”是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些自然规律的限制，从而获得超出自然界固有性质的超常材料。

目前已有的缓冲吸能结构设计，多是利用结构材料的塑性变形实现良好的缓冲吸能效果(例如蜂窝结构材料、汽车防撞梁等)，但是这些结构材料不具有可重复使用的特点，在承受一次冲击后，必须更换结构材料才能应对下次的冲击工况。此外，机械装置的设计也能取得较好的缓冲效果，例如专利cn2016204327055所述的一种可伸缩式汽车碰撞缓冲吸能装置，主要是利用阻尼弹簧的形变，实现冲击能量的吸收，但所述的缓冲吸能装置基本只能实现单轴向缓冲，并且零件较多，结构复杂，使得加工比较困难，不易于大规模推广使用。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种可回复六向缓冲吸能超材料及其设计方法。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种可回复六向缓冲吸能超材料，所述超材料包括多个完全相同的单胞周期排列而成，所述单胞由长方体框架(1)、交叉曲梁(2)和连接杆(3)构成，长方体框架(1)为交叉曲梁(2)提供安装空间，所述长方体框架(1)由10根直梁组成；交叉曲梁(2)由两根曲梁(2-1)组成，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)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，通过连接杆(3)依次连接不同单胞的交叉曲梁(2)中部，使多个单胞连接形成多胞的超材料结构。

进一步地，长方体框架(1)相对面内布置的交叉曲梁(2)弯曲方向相同，相对面内的交叉曲梁(2)经过平移可以重合。

进一步地，曲梁(2-1)具有屈曲阶跃的性质，根据构造曲梁(2-1)的结构形状；其中，是单根曲梁(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是曲梁(2-1)两个端点的连线上距离一个端点的距离，l是单根曲梁的跨度；

当曲梁(2-1)的弧高h与面内厚度t的比值大于2.31时，曲梁为双稳态，当曲梁(2-1)的弧高h与面内厚度t的比值小于2.31时，曲梁为单稳态。

进一步地，曲梁(2-1)为单稳态。

进一步地，交叉曲梁(2)的刚度变化分为三段：第一正刚度段、负刚度段和第二正刚度段。

本发明还提供了一种上述可回复六向缓冲吸能超材料的设计方法，包括步骤：

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：根据公式绘制单根曲梁(2-1)的结构形状，定义q表示交叉曲梁(2)中单根曲梁(2-1)的弧高h与曲梁(2-1)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，是单根曲梁(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)的有效跨度；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，ftop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)安装在长方体框架(1)的6个面内，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)将不同单胞的交叉曲梁(2)中部依次首尾相连，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，以单胞结构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作用力阈值通过公式ft＝2n1ftop得到，n1为指定方向中并联的单胞个数，ft为估算的超材料在±x，±y，±z六个方向中任意一个方向的宏观作用力阈值。

本发明的技术原理如下：交叉曲梁布置在长方体框架的六个安装面内，交叉曲梁的端部与长方体框架固定连接，相对安装面内布置的交叉曲梁弯曲方向一致，相对面内布置的两组曲梁经过平移后可以重合，随后利用连接杆将不同单胞的交叉曲梁中部连接起来，形成多胞的超材料结构，以单胞结构中相互垂直的三条边分别作为x轴、y轴和z轴，依靠曲梁的屈曲阶跃性质，以及单胞的合理设计，本发明可以实现±x，±y，±z六个方向的缓冲吸能。单胞中力的传递路径为连接块-一侧安装面内的交叉曲梁-长方体框架-相对安装面内的交叉曲梁-另一个连接块，作用于单胞的作用力从输入到输出，会经历两组交叉曲梁的变形缓冲，吸收能量，在吸收的能量耗散后，单胞结构具有良好的可回复能力，便于重复使用。单胞结构在x轴、y轴和z轴方向的布置形式完全相同，所以y轴和z轴的自动回复缓冲吸能原理与x轴的自动回复缓冲吸能原理相同。多胞超材料性能设计的关键就是单胞的性能设计，单胞的力学性能决定了多胞超材料结构的力学性能，单胞具有±x，±y，±z六个方向的缓冲吸能，则由该单胞周期排布组成的多胞超材料也具有±x，±y，±z六个方向的缓冲吸能能力。

与现有技术相比，本发明的优势与有益效果在于：

1、本发明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。

2、本发明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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中单胞的三维结构示意图；

图2为本发明实施例中可回复六向缓冲吸能超材料结构的主视图；

图3为本发明实施例中可回复六向缓冲吸能超材料结构的轴视图；

图4为本发明实施例的单胞的长方体框架的结构示意图；

图5为本发明实施例的交叉曲梁的结构示意图；

图6为本发明实施例的曲梁的几何形状示意图；

图7为本发明实施例的交叉曲梁在静载作用下的刚度-位移曲线图；

图8为本发明实施例的单胞中一组交叉曲梁在标准半正弦波冲击载荷作用下的加速度-时间响应曲线；

图9为本发明实施例中单胞的相对安装面内布置的两组交叉曲梁在标准半正弦波冲击载荷作用下的加速度-时间响应曲线；

其中，1、长方体框架，2、交叉曲梁，3、连接杆，2-1、曲梁。

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，ftop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ft＝2n1ftop得到，n1为指定方向中并联的单胞个数，ft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。