一种超大变形的手性压扭结构

1.本发明属于超材料技术领域，具体涉及一种手性压扭结构。


背景技术：

2.机械超材料（超结构）是指通过人为设计制造材料的周期性空间结构，使其具有超常的力学特性，例如受压扭转、负泊松比和零膨胀等特殊的力学性能。这种特性不仅取决于材料本身的性质，更主要依赖于人工设计的周期性微结构。超材料的出现使得人类能够设计和制造更加符合工业需求的材料。
3.本发明提出一种轴向受压后产生超大扭转变形的力学超结构。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种轴向受压后产生稳定、超大扭转变形的手性压扭结构。
5.本发明提出的手性压扭超结构，在受压时会发生稳定且显著的扭转变形。由若干胞元堆叠而成；每个胞元是由六个相同结构的面内梁组合成的空间立方体，如图3所示；每个面内梁是由四根直梁、四根弯梁组合而成的四角为弧形过渡的搂空正方形，四根弯梁的一端固定于一中心圆孔处、且梁体相外等间距仿射布置、梁的弯曲方向一致，四根弯梁的一端位于一正方形端点处；四根直梁的一端分别与四根弯梁的外端连接，另一端分别与四根弯梁的弧形相切连接，使正方形的四个角为弧形，面内梁结构如图1所示。
6.制备方式可以采用3d打印增材制造的方式，也可采用铸造、焊接和切削等方式实现。
7.制备材料要求有较好的弹性和韧性，比如tpu。
8.例如，采用3d打印增材制造的方式将图纸打印，采用水溶性支撑。打印完成后浸入水中，去除支撑材料后晾干，施加压力即可实现轴向受压扭转。
9.本发明的优势如下：1、本发明的结构，受压能产生大幅度、稳定的扭转现象，且扭转方向可通过手性方向调整；2、扭转角度灵活可控，如通过增减层数即可快速准确调控；3、调整最大压扭角度手段丰富，如可从梁粗细和横向堆叠个数来调控。
10.相比现存的压扭超结构，本发明提出的手性压扭结构能够产生更大幅度的稳定扭转变形，可适用于更加广泛的工业应用场景，例如：建筑设计、机械结构等行业。
附图说明
11.图1为面内结构示意图。
12.图2为面内结构三视图。
13.图3为胞元结构示意图。
14.图4为胞元三视图。
15.图5为1
×1×
2堆叠示意图。
16.图6为1
×1×
2堆叠三视图。
17.图7为4
×4×
8堆叠示意图。
18.图8为4
×4×
8堆叠三视图。
19.图9为实施例1 中1
×1×
2堆叠受压初始示意图。
20.图10为实施例1中1
×1×
2堆叠受压扭转示意图。
21.图11为实施例2中4
×4×
8堆叠受压初始斜视图。
22.图12为实施例2中4
×4×
8堆叠受压扭转斜视图。
23.图13为实施例2中4
×4×
8堆叠受压初始前视图。
24.图14为实施例2中4
×4×
8堆叠受压扭转前视图。
25.图15为实施例2中4
×4×
8堆叠受压初始俯视图。
26.图16为实施例2中4
×4×
8堆叠受压扭转俯视图。
27.图17为实施例2中4
×4×
8堆叠扭转角度示意图。
具体实施方式
28.实施例1：使用3d打印机打印，所用材料为tpu95a，所用水溶性支撑材料为pva。
29.实施例1面内结构如图2所示，其主要结构由四根直梁、四根弯梁组成。面内梁结构如图1所示，四根弯梁的梁宽为2mm，厚为2mm，一端位于中心直径为2mm的圆孔处，另一端位于一边长36mm的正方形端点处，四根直梁一端位于正方形端点处，另一端与弯梁相切，弯梁弧形半径约为11.7mm。
30.实施例1中胞元如图3所示，胞元是由6个结构相同的面内梁结构组成空间立方体。
31.将2个胞元上下堆叠，如图5所示。
32.采用3d打印增材制造的方式打印，将打印件置于水中浸泡，待清水变浑浊更换清水直至pva支撑完全消失，晾干。
33.该压扭超结构在受压后发生明显扭转，如图9、图10所示。
34.实施例2：实施例2，与实施例1面内结构如图2所示，其主要结构由四根直梁、四根弯梁组成。面内梁结构如图1所示，四根弯梁宽为1mm，厚为1mm，分别一端位于中心直径为1mm的圆孔处，另一端位于一边长18mm的正方形端点处，四根直梁一端位于正方形端点处，另一端与弯梁相切，弯梁半径约为5.9mm。
35.实施例2制造方式与实施例1相同，故不再赘述。
36.实施例2中，胞元按4
×4×
8堆叠，如图8所示，此堆叠是由128个胞元排列成4行、4列、8层的结构。
37.该4
×4×
8堆叠的压扭超结构在受压后发生明显扭转，如图11、图12、图13、图14、图15、图16和图17所示。
38.由图13、图14可测的下压距离约为5.18mm，应变为3.59%，由图17可量得扭转角度约为28
°
，弧度为0.49，计算得角度与应变比值为7.80
°
/%，弧度比值为0.136/%。
39.注：本结构是无量纲的，可适用于任意尺度。