一种变刚度负泊松比胞元及其设计方法

1.本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及到一种变刚度负泊松比胞元及其设计方法。


背景技术：

2.泊松比ν以法国科学家poisson命名，也称为横向变形系数，用以表征垂直于作用力方向上的横向变形特性。负泊松比材料与传统的正泊松比材料具有相反的变形特性，在受轴向拉伸时发生侧向的膨胀，受轴向压缩时侧向收缩。1987年lakes首次在science提出了人造负泊松比材料，将聚氨酯泡沫制成了拉胀压缩的负泊松比泡沫，此后负泊松比材料大量涌现，如内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构、穿孔板结构等。
3.随着近几年负泊松比超材料领域的飞速发展，越来越多具有特定性能的负泊松比结构被设计出来，例如：可调控负泊松比、刚度可调控胞元等。本文中所述变刚度胞元的设计方法，基于上述负泊松比胞元，控制变形区域材料，改变设计区域材料分布，使负泊松比孔洞结构密实点具有可调控性。


技术实现要素：

4.本发明提出一种变刚度负泊松比胞元及其设计方法，根据设计者所需的压缩密实点设置变刚度比例(刚度比例因子)，在原有负泊松比胞元的基础上设计出满足要求的负泊松比胞元，实现变刚度点(即密实点)的可调控性。
5.本发明采用的技术方案为：一种变刚度负泊松比胞元，包括变刚度负泊松比椭圆胞元和变刚度负泊松比内凹六边形胞元；
6.所述变刚度负泊松比胞元分为变刚度的设计区域和变形区域；保持变形区域材料分布不变，通过增加变刚度设计区域材料分布，设置不同的变刚度比例因子(variable scale factor)以实现变刚度点的可调控性；
7.所述变刚度负泊松比椭圆胞元的长半轴及短半轴分别用a,b表示，短半轴与长半轴比值关系满足0<b/a<1；所述变刚度负泊松比椭圆胞元的设计区域高度h变化范围为0<h<ab/(a+b)；
8.所述变刚度负泊松比椭圆胞元的设计区域的旋转中心点取椭圆胞元中心点、相邻椭圆间的短肋中点、椭圆长轴处四分点、以及椭圆长短轴四分点连线与长半轴平行且距离为h的直线交点，最大旋转角θ和变刚度旋转角θ1变化范围满足：
[0009][0010]
所述变刚度负泊松比椭圆胞元的设计区域的变刚度比例因子(vsf)值的变化范围满足：
[0011][0012]
所述变刚度负泊松比内凹六边形胞元的设计区域高度h1值、内凹胞元高度的一半c值的关系满足：
[0013]
所述变刚度负泊松比内凹六边形胞元的内凹角度θ的变化范围满足：0≤θ≤90
°
；
[0014]
所述变刚度负泊松比内凹六边形胞元的变刚度旋转角度θ1的变化范围满足：
[0015][0016]
所述变刚度负泊松比内凹六边形胞元的设计区域的变刚度比例因子(vsf)值的变化范围满足：
[0017][0018]
优选地，所述变刚度负泊松比椭圆胞元半长轴a及半短轴b比例为0.2<b/a<0.9。
[0019]
优选地，所述变刚度负泊松比椭圆胞元设计区域高度h值取b/8<h<b/3。
[0020]
优选地，所述变刚度负泊松比内凹六边形胞元的设计区域高度h1值的变化范围取
[0021]
所述的一种变刚度负泊松比胞元设计方法，包括以下步骤：
[0022]
1)根据负泊松比胞元种类，确定原始负泊松比胞元的几何构造参数；
[0023]
2)确定不同胞元压缩时的变形模式及其胞元旋转机理；
[0024]
3)通过不同胞元的压缩旋转方式，确定其变刚度设计区域、变形区域；
[0025]
4)确定设计区域中符合压缩旋转的旋转中心点，将变刚度旋转角θ1与最大旋转角θ的比值作为vsf，即变刚度比例因子；
[0026]
5)将设计出的变刚度负泊松比胞元进行二维和三维的排列或旋转成形，构成不同形式的负泊松比结构。
[0027]
所述的一种变刚度负泊松比胞元设计方法，变刚度旋转角θ1在不同负泊松比胞元变刚度设计时均适用，区别在于不同胞元的变形区域分布不同，因此变刚度旋转角θ1角度位置不同；
[0028]
本发明负泊松比胞元变刚度设计方法适用横竖交叉椭圆结构、内凹结构、手性结构、反手性结构等负泊松比胞元。
[0029]
有益效果：本发明一种变刚度负泊松比胞元的设计方法根据压缩时的变形机制将上述形式的胞元划分为变刚度设计区域和变形区域；通过改变负泊松比胞元变刚度设计区域的材料分布，定量调控负泊松比结构的密实点，进而实现结构的变刚度。本发明变刚度负泊松比结构可制成的防撞、抗震、缓冲块等缓冲吸能及传感器装置；本发明变刚度负泊松比
结构可制成负泊松比管状结构、三维立方体结构。
附图说明
[0030]
图1
‑
4为变刚度负泊松比椭圆胞元设计不同旋转中心示意图；
[0031]
图5为变刚度负泊松比内凹六边形胞元变刚度设计示意图；
[0032]
图6
‑
9为椭圆胞元及内凹六边形胞元的二维和三维圆管排列图。
具体实施方式
[0033]
下面结合具体实施方式和附图对本发明做进一步描述：
[0034]
一种变刚度负泊松比胞元，包括变刚度负泊松比椭圆胞元和变刚度负泊松比内凹六边形胞元；
[0035]
所述变刚度负泊松比胞元分为变刚度的设计区域和变形区域；保持变形区域材料分布不变，通过增加变刚度设计区域材料分布，设置不同的变刚度比例因子(variable scale factor)以实现变刚度点的可调控性；
[0036]
所述变刚度负泊松比椭圆胞元的长半轴及短半轴分别用a,b表示，短半轴与长半轴比值关系满足0.2<b/a<0.9；所述变刚度负泊松比椭圆胞元的设计区域高度h变化范围为b/8<h<b/3；
[0037]
所述变刚度负泊松比椭圆胞元的设计区域的旋转中心点取椭圆胞元中心点、相邻椭圆间的短肋中点、椭圆长轴处四分点、以及椭圆长短轴四分点连线与长半轴平行且距离为h的直线交点(如图1
‑
4)，最大旋转角θ和变刚度旋转角θ1变化范围满足：
[0038][0039]
所述变刚度负泊松比椭圆胞元的设计区域的变刚度比例因子(vsf)值的变化范围满足：
[0040][0041]
如图5所示，所述变刚度负泊松比内凹六边形胞元的设计区域高度h1值、内凹胞元高度的一半c值的关系满足：所述变刚度负泊松比内凹六边形胞元的内凹角度θ的变化范围满足：0≤θ≤90
°
；所述变刚度负泊松比内凹六边形胞元的变刚度旋转角度θ1的变化范围满足：
[0042][0043]
所述变刚度负泊松比内凹六边形胞元的设计区域的变刚度比例因子(vsf)值的变化范围满足：
[0044][0045]
所述的一种变刚度负泊松比胞元设计方法，包括以下步骤：
[0046]
1)根据负泊松比胞元种类，确定原始负泊松比胞元的几何构造参数；
[0047]
2)确定不同胞元压缩时的变形模式及其胞元旋转机理；
[0048]
3)通过不同胞元的压缩旋转方式，确定其变刚度设计区域、变形区域；
[0049]
4)确定设计区域中符合压缩旋转的旋转中心点，将变刚度旋转角θ1与最大旋转角θ的比值作为vsf，即变刚度比例因子；
[0050]
5)将设计出的变刚度负泊松比胞元进行二维和三维的排列或旋转成形，构成不同形式的负泊松比结构。(如图6
‑
9)
[0051]
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所述任一变刚度负泊松比结构制成的防撞、抗震、缓冲块等缓冲吸能及传感器装置均在本专利的保护范围之内；所述任一变刚度负泊松比结构制成负泊松比管状结构、三维立方体结构等均在本专利的保护范围之内；所述的变刚度设计方法设计的本文未列举的负泊松比结构均在本专利的保护范围之内。