一种具有负泊松比的减震板杆结构

1.本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种具有负泊松比的减震板杆结构。


背景技术：

2.自然界中的材料泊松比大多为正值，表现出拉伸时收缩或压缩时膨胀的现象，而负泊松比材料表现出与之相反的特点，即拉-胀，压-缩的特性，负泊松比材料和结构在抗剪切性、抗断裂性、能量吸收性能等方面具有很大优势，具有负泊松比效应的超材料通常表现出轻质、高阻尼、吸声、隔热等物理特性；
3.负泊松比材料应用广泛，在航空、航天、医疗、电子等领域均有涉及，对航空航天、半导体器件、光学元件、精密仪器以及建筑材料等领域的发展具有重大意义，负泊松比材料受弯时向外膨胀吸收更多能量，从而减震，从而起保护作用；
4.目前经典的负泊松比结构为内凹多边形结构、星型结构、手性结构和蜂窝结构，这些结构在斜杆方面性能不足，同时由于竖杆一定程度阻碍了斜杆运动，导致其旋转能力减弱，因此，本发明提出一种具有负泊松比的减震板杆结构以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提出一种具有负泊松比的减震板杆结构，该具有负泊松比的板杆结构。
6.为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种具有负泊松比的减震板杆结构，包括桁架和菱形旋转子，所述桁架包括周期性单元，所述周期性单元为近内凹六边形结构，每组所述周期性单元的近内凹六边形结构包含横杆和斜杆，所述斜杆对称在横杆两端且位于同侧，同侧所述斜杆之间的横杆上设有菱形旋转子，所述菱形旋转子上下侧均设有桁架且两组桁架平行设置，所述桁架和菱形旋转子交替排列设置。
7.进一步改进在于：所述桁架与菱形旋转子制作材料为金属、pla耗材、碳纤维和复合材料中的一种，通过3d打印技术制作。
8.进一步改进在于：所述菱形旋转子上下两侧的桁架进点横杆之间的间距为6l，远点横杆之间的间距为8l，所述桁架上横杆长度为6l，两组所述斜杆长度为所述斜杆与横杆之间夹角为135
°
，所述菱形旋转子边长为5l，所述菱形旋转子斜边与横杆连接处的夹角为45
°
，其中l为尺寸系数。
9.进一步改进在于：采用abaqus仿真软件进行仿真实验，验证负泊松比点阵模型，并通过该软件进行数据处理，导出数据后计算泊松比-时间曲线。
10.进一步改进在于：采用abaqus仿真软件仿真模拟前利用solidworks建立虚拟模型，在abaqus仿真软件中先设置材料参数，再设置载荷参数、压缩量参数、划分有限元网格，进行模拟计算。
11.本发明的有益效果为：本发明的板杆结构疏松多孔且具有良好的负泊松比性能，在弹性限度内，受到外界震动时，可吸收能量，达到良好的减震效果。
附图说明
12.图1为本发明实施例1桁架和菱形旋转子分布结构图。
13.图2为本发明实施例1周期性单元结构图。
14.图3为本发明实施例2alsi10mg的真应力及塑性应变曲线图。
15.图4为本发明实施例2的板杆结构泊松比-时间曲线图。
16.图5为本发明实施例2传统模型泊松比-时间曲线图。
具体实施方式
17.为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
18.实施例1
19.根据图1和图2所示，本实施例提供了一种具有负泊松比的减震板杆结构，包括桁架和菱形旋转子，所述桁架包括周期性单元，所述周期性单元为近内凹六边形结构，每组所述周期性单元的近内凹六边形结构包含横杆和斜杆，所述斜杆对称在横杆两端且位于同侧，同侧所述斜杆之间的横杆上设有菱形旋转子，所述菱形旋转子上下侧均设有桁架且两组桁架平行设置，所述桁架和菱形旋转子交替排列设置。
20.所述桁架与菱形旋转子制作材料为金属、pla耗材、碳纤维和复合材料中的一种，通过3d打印技术制作。
21.所述菱形旋转子上下两侧的桁架进点横杆之间的间距为6l，远点横杆之间的间距为8l，所述桁架上横杆长度为6l，两组所述斜杆长度为所述斜杆与横杆之间夹角为135
°
，所述菱形旋转子边长为5l，所述菱形旋转子斜边与横杆连接处的夹角为45
°
，其中l为尺寸系数。
22.采用abaqus仿真软件进行仿真实验，验证负泊松比点阵模型，并通过该软件进行数据处理，导出数据后计算泊松比-时间曲线。
23.采用abaqus仿真软件仿真模拟前利用solidworks建立虚拟模型，在abaqus仿真软件中先设置材料参数，再设置载荷参数、压缩量参数、划分有限元网格，进行模拟计算。
24.实施例2
25.根据图3、图4和图5所示，本实施例提供了一种具有负泊松比的减震板杆结构仿真验证试验，验证验证负泊松比点阵模型，并通过该软件进行数据处理，导出数据后计算泊松比-时间曲线图，如说明书附图4所示，最小泊松比为-0.849，如说明书附图5所示为传统模型泊松比-时间曲线图，最小泊松比为-0.468，比对后发现所设计的结构负泊松比性能远好于传统负泊松比模型。
26.abaqus仿真软件仿真模拟前利用solidworks建立虚拟模型，在abaqus仿真软件中先设置材料参数，包括真应力-真应变参数，屈服强度：305mpa，密度：2.7g/cm3，弹性模量：70gpa，材料泊松比：0.34，下表1为alsi10mg的真应力及塑性应变表。
27.表1
28.真应力(mpa)塑性应变真应力(mpa)塑性应变30504090.02
3370.0044240.0243570.0084380.0273770.0124520.0313930.016
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29.再设置载荷参数、压缩量参数、划分有限元网格，进行模拟计算，实验模拟了该模型下，经受压力的弹性变形阶段，可以观察到材料的变形情况。
30.模拟完毕后，在模型上边缘表面取6点，从abaqus软件中导出6点的平均y轴位移与平均y轴应力；在整体模型中间两侧各取两点，并按如上方式导出平均x轴位移，由于已知模型参数，平均x轴位移除以模型总长度得x轴应变，平均y轴位移除以模型总高度得y轴应变，由于模拟实验应用一定的位移载荷和固定的位移时间，所以压力机下压的位移速度一定，时间与位移量存在一一对应关系，可作出泊松比-时间图。
31.负泊松比材料多因其吸收能量的能力良好，常被应用于制造减震设备上；但如果应力超过结构的屈服极限，模型发生较大的塑性变形，则认为模型失效，发挥不了其减震作用。因此，以下选择应力在屈服极限之前的阶段进行模型泊松比的研究。
32.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。


技术特征：
1.一种具有负泊松比的减震板杆结构，其特征在于：包括桁架和菱形旋转子，所述桁架包括周期性单元，所述周期性单元为近内凹六边形结构，每组所述周期性单元的近内凹六边形结构包含横杆和斜杆，所述斜杆对称在横杆两端且位于同侧，同侧所述斜杆之间的横杆上设有菱形旋转子，所述菱形旋转子上下侧均设有桁架且两组桁架平行设置，所述桁架和菱形旋转子交替排列设置。2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比的减震板杆结构，其特征在于：所述桁架与菱形旋转子制作材料为金属、pla耗材、碳纤维和复合材料中的一种。3.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比的减震板杆结构，其特征在于：所述菱形旋转子上下两侧的桁架进点横杆之间的间距为6l。4.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比的减震板杆结构，其特征在于：远点所述横杆之间的间距为8l。5.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比的减震板杆结构，其特征在于：所述桁架上横杆长度为6l。6.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比的减震板杆结构，其特征在于：两组所述斜杆长度为7.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比的减震板杆结构，其特征在于：所述斜杆与横杆之间夹角为135
°
。8.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比的减震板杆结构，其特征在于：所述菱形旋转子边长为5l。9.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比的减震板杆结构，其特征在于：所述菱形旋转子斜边与横杆连接处的夹角为45
°
，其中l为尺寸系数。

技术总结
本发明公开一种具有负泊松比的减震板杆结构，包括桁架和菱形旋转子，所述桁架包括周期性单元，所述周期性单元为近内凹六边形结构，每组所述周期性单元的近内凹六边形结构包含横杆和斜杆，所述斜杆对称在横杆两端且位于同侧，同侧所述斜杆之间的横杆上设有菱形旋转子，所述菱形旋转子上下侧均设有桁架且两组桁架平行设置，所述桁架和菱形旋转子交替排列设置；本发明的板杆结构疏松多孔且具有良好的负泊松比性能，在弹性限度内，受到外界震动时，可吸收能量，达到良好的减震效果。达到良好的减震效果。达到良好的减震效果。


技术研发人员：尹明慧 田坤卉 孙艺阳 林健 郭星晔 籍晓亮 夏志东
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2022.06.14
技术公布日：2022/8/30