一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构

本发明涉及力学超材料，更具体涉及一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构。

背景技术：

1、工业领域尤其是航空航天领域，对于轻量化、隔振、抗冲击等防护材料的要求越来越高。超材料是具有特殊的人工结构的特殊物理性质的材料，在力学超材料领域，负泊松比和负刚度超材料都具有较好的隔振抗冲击性能，因此力学超材料的研究具有非常重要的意义。

2、目前对于同时具有负刚度和负泊松比性能的超材料的研究还较少，并且已有结构局限于二维结构，且当利用于吸能领域时，这些结构只能实现负刚度结构的吸能，负泊松比性能不起吸能作用。

3、因此，亟需一种同时具有负刚度和负泊松比性能且具有更好吸能能力的三维超材料结构，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于公开一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，通过将负泊松比外框架结构和作为连接部件的负刚度圆盘相结合，通过滑动部件与中间支柱的滑动摩擦以及负刚度圆盘的屈曲变形实现了一种结构两种形式的吸能作用，提高了结构的吸能能力。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，包括：负泊松比外框架与负刚度圆盘；

3、所述负泊松比外框架包括：

4、支柱，相对一侧分别开设有大小、结构相同的容纳腔室；

5、滑动部件，部分嵌设于所述容纳腔室内，并以所述支柱的中心线对称布置有若干个，若干所述滑动部件与所述支柱能够组成完整立方体结构；

6、所述滑动部件为空心壳体结构，且朝向所述容纳腔室内壁的一面或多面侧壁均能够与所述容纳腔室相贴合，任意相邻两组滑动部件相对的一侧中央均开设有缺口；

7、负刚度圆盘，呈吸盘状，具有多组，布置于所述缺口处，用于约束滑动部件和支柱的初始相对位置，所述负刚度圆盘的吸附面朝向所述滑动部件的壳体内布置，所述负刚度圆盘的背部中央沿负刚度圆盘中心线的方向向滑动部件的外侧延伸形成有导向连接柱，两两相邻所述负刚度圆盘之间的导向连接柱对向连接。

8、作为本发明的进一步改进，所述滑动部件只具有一面侧壁与所述容纳腔室的内壁相贴，且该侧壁呈弧面结构。

9、作为本发明的进一步改进，所述滑动部件呈倒棱台结构。

10、作为本发明的进一步改进，所述负泊松比外框架为正方体结构，由8个空心的滑动部件和一个实心的中间支柱部分组成。

11、作为本发明的进一步改进，所述负泊松比外框架的基材采用弹性模量大的材料，所述负刚度圆盘的基材采用弹性模量较小、延展性较好的材料。

12、作为本发明的进一步改进，所述负泊松比外框架采用树脂，所述负刚度圆盘采用聚氨酯。

13、作为本发明的进一步改进，所述负泊松比外框架采用金属材料，如铝合金，所述负刚度圆盘采用尼龙。

14、作为本发明的进一步改进，位于所述缺口边沿的所述滑动部件形成有环形台阶，供所述负刚度圆盘的外边缘贴合。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、(1)一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，通过切分的立方体结构与负刚度圆盘的结合实现了三维形态下的双负力学超材料结构，通过滑动部件与中间支柱的滑动摩擦以及负刚度圆盘的屈曲变形实现了一种结构两种形式的吸能作用，提高了结构的吸能能力，同时，本申请通过负刚度结构的弹性变形和负泊松比外框架的滑动摩擦可实现结构的重复利用。

技术特征：

1.一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，其特征在于，包括：负泊松比外框架与负刚度圆盘；

2.根据权利要求1所述的一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，其特征在于，所述滑动部件只具有一面侧壁与所述容纳腔室的内壁相贴，且该侧壁呈弧面结构。

3.根据权利要求1所述的一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，其特征在于，所述滑动部件呈倒棱台结构。

4.根据权利要求1所述的一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，其特征在于，所述负泊松比外框架为正方体结构，由8个空心的滑动部件和一个实心的中间支柱部分组成。

5.根据权利要求1所述的一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，其特征在于，所述负泊松比外框架的基材采用弹性模量大的材料，所述负刚度圆盘的基材采用弹性模量较小、延展性较好的材料。

6.根据权利要求5所述的一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，其特征在于，所述负泊松比外框架采用树脂，所述负刚度圆盘采用聚氨酯。

7.根据权利要求5所述的一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，其特征在于，所述负泊松比外框架采用金属材料，如铝合金，所述负刚度圆盘采用尼龙。

8.根据权利要求1所述的一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，其特征在于，位于所述缺口边沿的所述滑动部件形成有环形台阶，供所述负刚度圆盘的外边缘贴合。

技术总结
本发明公开了一种具有负刚度和负泊松比性能的三维力学超材料结构，包括：负泊松比外框架与负刚度圆盘；负泊松比外框架包括：支柱，相对一侧分别开设有大小、结构相同的容纳腔室；滑动部件，部分嵌设于容纳腔室内，并以支柱的中心线对称布置有若干个，若干滑动部件与支柱能够组成完整立方体结构；滑动部件为空心壳体结构，且朝向容纳腔室内壁的一面或多面侧壁均能够与容纳腔室相贴合，任意相邻两组滑动部件相对一侧中央均开设有缺口；负刚度圆盘，呈吸盘状，具有多组，布置于缺口处，用于约束滑动部件和支柱的初始相对位置。本发明通过滑动部件与支柱的滑动摩擦以及负刚度圆盘的屈曲变形实现了一种结构两种形式的吸能作用，提高结构的吸能能力。

技术研发人员：孙蓓蓓,潘怡
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16