一种优化凹角结构单元及板材

1.本发明涉及力学超材料的领域，特别涉及一种凹角结构单元及板材结构。


背景技术：

2.力学超材料是一种人工设计的具有自然界材料不具备的特殊性质的结构材料，力学超材料多为结构单元组合阵列形成蜂窝状或者晶格状结构，它不同于以往的通过材料的组成成分改变材料特性，实现了通过改变结构赋予材料新特性的方法。新形成的力学超材料具有拉胀特性、负刚度以及负泊松比等新特性。
3.负泊松比超材料作为力学超材料的分支，其特点主要包括拉胀特性，手性特点，压扭耦合特性等。负泊松比超材料宏观表现为轴向受力压缩时，材料横向收缩；反之轴向拉伸时，横向扩张。这与传统的正泊松比材料完全相反。当前，凹角结构单元主要是负泊松比超材料的组成单元，由凹角结构阵列形成的平面二维超材料可以实现泊松比为-3的变形。但同时凹角结构的缺点也尤为突出，在受载荷压缩过程中，凹角结构存在严重的应力集中现象，使结构在变形过程中更易产生损伤断裂，降低了结构的承载能力。


技术实现要素：

4.为了解决凹角结构应力集中问题，本发明提供了一种优化凹角结构单元，该结构在压缩过程中可以有效降低应力，同时由该单元组成的平面凹角结构板材的负泊松比特性进一步提高。
5.实现上述目的，本发明在原有凹角结构的基础进行优化设计，结合轴屈曲理论将凹角结构单元的两侧倾斜梁优化为屈曲梁。具体的本发明提供一种优化凹角结构单元，包括：上板和下板，所述上板和下板之间以中轴线为对称线镜像设置有两根支撑梁，所述支撑梁的一端与所述上板连接，所述支撑梁的另一端与所述下板连接；所述支撑梁呈抛物线状，支撑梁曲线由函数生成，凸起部分朝向中轴线；其中，h为支撑梁的高度，l为支撑梁的长度，x为直角坐标系横轴的坐标，y为直角坐标系纵轴的坐标。
6.作为优选地一种技术方案，所述上板和下板为矩形板，且上板和下板平行设置。
7.作为优选地一种技术方案，所述上板和下板尺寸完全相同。
8.作为优选地一种技术方案，所述上板、下板和支撑梁均由尼龙材料制成。
9.作为优选地一种技术方案，所述两个支撑梁两端与所述上板和下板均垂直连接。
10.作为优选地一种技术方案，所述优化凹角结构单元通过多射流熔融技术加工而成。
11.另一方面，本发明还提供一种优化凹角结构板材，包括多个左右上下阵列形成的上述任意一技术方案记载的优化凹角结构单元。
12.在上述优化凹角结构板材中，优选的，所述优化凹角结构板材为平面型或圆周型的一种。
13.本发明相对于现有凹角结构单元的有益效果是：本发明提供的优化凹角结构单元将原有的凹角结构单元中两侧倾斜梁更换为屈曲梁，梁曲线由函数生成，h为曲梁的高度，l为曲梁的长度；以优化凹角结构单元为胞元进行阵列排布，形成优化凹角结构板材。经过优化的凹角结构单元降低了在变形过程中的应力集中，提高了结构的承载能力，同时使得优化凹角结构板材的负泊松比特性进一步提高。
14.另外，本发明提供的优化凹角结构板材可以根据不同的应用场景进行个性化排列组合，结合其具有的特殊的负泊松比特性，使得该力学超材料具有更加广泛的应用价值。
附图说明
15.图1为本发明提供的优化凹角结构单元的结构图；图2为本发明提供的支撑梁的结构图；图3为本发明提供的优化凹角结构单元准静态压缩下的应力云图；图4为本发明提供的优化凹角结构板材的结构图；图5为本发明提供的优化凹角结构板材准静态压缩下的应力云图；图6为本发明提供的优化凹角结构单元准静态压缩下的力-位移曲线图；图7为本发明提供的优化凹角结构板材与普通凹角结构板材的负泊松比对比图。
具体实施方式
16.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完整、清晰的表述，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
17.参照图1和图2，本实施例提供一种优化凹角结构单元，包括：上板1和下板3，所述上板1和下板3之间设置有两个支撑梁2，所述支撑梁2的一端与所述上板1连接，所述支撑梁2的另一端与所述下板3连接。所述优化凹角结构单元整体呈左右对称分布。
18.在本实施例中，上板1和下板3为矩形板，同时尺寸完全相同，且上板1和下板3平行设置。
19.在本实施例中，两个支撑梁2关于结构中心呈对称分布，每一个支撑梁2两端与所述上板1和下板3均垂直连接。
20.在本实施例中，支撑梁2呈抛物线状，且支撑梁2的凸起部分朝向结构单元的对称轴设置。支撑梁曲线由函数生成，其中，h为支撑梁的高度，l为支撑梁的长度，x为直角坐标系横轴的坐标，y为直角坐标系纵轴的坐标。
21.在本实施例中，上板1、下板3和中间支撑梁2均有尼龙材料制成，但需要说明的是，优化凹角结构单元还可以采用其他材料加工，例如：树脂，硅胶和金属材料，这应根据不同的应用场景进行选择。
22.在本实施例中，优化凹角结构单元通过多射流熔融技术加工而成。如图3所示，该凹角结构单元在普通凹角结构单元的基础上优化得到，改善了结构在受载荷压缩过程中的应力集中问题，提高了结构的承载能力。
23.参照图4，本实施例也提供了一种优化凹角结构板材，包括多个左右上下阵列形成的上述任意一实施例记载的优化凹角结构单元。
24.此外需要说明的是，本实施例中的板材结构为平面结构，但不仅仅局限于此，也可以是三维结构或者圆周结构。
25.将本发明的优化凹角结构板材应用到工程领域时，可以根据实际空间需要对板材结构进行删减或者添加。将板材结构下端平面固定，对上端平面施加外载荷，优化凹角结构板材在载荷作用下被向下压缩，中间屈曲梁结构会向结构中心收缩，由于结构单元之间相互连接，使得整体板材结构的收缩效果得到放大。此时优化凹角结构板材表现出明显的负泊松比特性，此新特性拓展了结构的应用范围，特别是对结构体积、空间要求较高的位置。
26.参照图5，图5为本发明的优化凹角结构板材的压缩变形图，本实施例所采用的优化凹角结构板材中，上板1和下板3的长度为34mm，宽度为5mm，高度为54mm，中间支撑梁2的凸出高度为5mm，考虑到加工工艺问题整体结构梁的厚度为2mm。
27.选用尼龙材料作为基础材料对优化凹角结构板材进行制作。尼龙材料的密度为1.3g/cm3，杨氏模量为1300mpa，泊松比为0.33。通过abaqus有限元仿真软件对优化凹角结构板材进行准静态压缩仿真，得到板材结构的压缩变形图，如图5所示，可以明显观察到板材结构在轴向压缩载荷下，横向收缩，表现出较强的负泊松比特点。
28.参照图6，图6展示了本发明的优化凹角结构板材和普通凹角结构板材的负泊松比特性对比曲线。
29.由图7可知，优化凹角结构板材的负泊松比特性优于普通凹角结构板材，经过优化的凹角结构板材的泊松比可以接近-4。同时可以得知优化后的板材结构达到最大负泊松比时对应的纵向应变更大，说明其可以承受更大的载荷产生更大的变形。
30.通过上述结果可以得出，本发明的优化凹角结构单元通过将倾斜梁更换为屈曲梁，降低了结构单元在压缩过程中的集中应力，提高了结构的承载能力。同时由优化凹角结构单元组成的板材结构具有更优的负泊松比特性。由于优化凹角结构板材是由多个单元组成，可以根据不同的实际需求对结构进行个性化定制，拓宽了结构的应用范围。
31.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。